当开关电源输入过压，如何防护？
当开关电源输入过压，如何防护？
导读：本文通过分析开关电源在输入电压过压异常时可能的失效现象，深入探讨了输入过压对电源元器件的应力影响及失效机理。文章针对输入过压时电源可能存在的失效原因，提供了详细的解决方案，旨在提升电源的抗输入过压能力，增强设备的整体可靠性。
在户外或有大型电动机等设备的应用场合中，工控设备中的开关电源可能会出现突然无输出的情况。拆解电源后发现，输入端的压敏电阻、大电解电容甚至主功率MOS管都可能因过压而失效。这些失效现象通常由输入端电压过高或电压尖峰引起，当输入电压超过元器件的最大承受电压时，就会导致失效。
输入电压过压原因
1.1 输入电网电压波动
电网电压波动是导致输入电压过压的主要原因之一。在用电高峰时期或有大型电动机等感性负载的场合，电网电压可能会出现大幅波动。国家标准对电网电压波动等级有明确规定：
在供电条件较好的城市和工业区，电网电压变化范围通常在±10%左右（对于220VAC电网，波动上限为264VAC）。然而，在供电条件较差的农村和边远地区，电压变化范围可能达到20%30%（274299VAC），这远超过电源的最高输入电压设计值，从而带来较高的失效风险。
1.2 电网中存在感应高压电压尖峰
户外设备在雷雨天气时，电网中可能会感应到雷电高压尖峰电压。这种尖峰电压会叠加到220VAC输入电压中，导致电源内部元器件过压损坏。最严重的情况是雷电直接击中电网电线，导致电网电压瞬间上升至电源和设备无法承受的水平，从而造成电源损坏。
输入过压时电源的元器件电压应力分析
以反激拓扑原理为例，分析电源中的元器件在输入过压时的应力情况。假设电网电压过压到305VAC，需要选择合适的元器件参数以确保电源安全可靠运行。
2.1 保险丝F1额定电压选择
保险丝的额定电压是指其熔断后两端能够承受的最高电压。对于最高输入电压为264VAC的开关电源，在输入电压波动较大的情况下，选择300VAC额定电压值的保险丝可以提高电源的可靠性。
2.2 压敏电阻RV1额定电压选择
压敏电阻在电路中起到保护作用，当电路出现异常瞬时过电压时，它会迅速导通以泄放过电流。为了防止压敏电阻损坏并防护输入电压尖峰波动，应选择561规格型号的压敏电阻。
2.3 X电容CX1额定电压选择
X安规电容的额定电压选择需考虑不同国家的安规认证标准。在输入电压波动较大的应用场合，选择310VAC额定电压值的X安规电容可以提高电源的抗输入过压能力。
2.4 整流桥BD1额定电压选择
整流桥的额定电压应考虑输入电压波动和EMC性能实验要求。实际应用中，通常选用1000V规格的整流桥以提高可靠性。
2.5 输入大电解电容C1额定电压选择
为了应对输入电压波动，大电解电容的额定电压应选择450VDC规格，以留有足够的电压裕量。
2.6 MOS管Q1额定电压选择
考虑到输入电压波动和雷击浪涌等极端情况，MOS管的额定电压应选择650V规格，以确保足够的电压应力裕量。
2.7 二极管D1额定电压选择
根据输入电压和变压器参数计算，二极管的额定电压应选择150VDC规格，以确保在各种输入条件下都能可靠工作。
输入过压防护要求和解决方案
3.1 输入电网电压波动的输入过压防护方案
针对输入电网电压波动，主要通过优化元器件选型和增加电气间隙来提高防护能力。具体方案包括：
- 元器件选型优化：选择更高规格的元器件，如表所示：
- 电气间隙和爬电距离：增加电源内部走线和元器件之间的电气间隙和爬电距离，以防止拉弧和放电现象。
3.2 输入电网中存在高压尖峰电压的输入过压防护方案
对于输入电压中存在瞬间高压尖峰的情况，可以通过压敏电阻进行钳位防护，或在输入端增加滤波器。在实际应用中，这两种方案可以结合使用，以增强防护效果。
总结
本文通过分析开关电源输入过压失效的原因，从理论计算角度给出了关键元器件的电压应力分析和选型依据。通过优化元器件选型和增加电气间隙等措施，可以显著提升开关电源的抗输入过压能力，增强设备的整体可靠性。