当开关电源输入过压，如何防护？

摘要：本文通过开关电源在输入电压过压异常时电源的可能失效现象，分析输入过压时对电源元器件的应力影响、以及过压时元器件的失效机理。针对在输入过压时电源可能存在的失效原因，给出解决方案，以便提升电源的抗输入过压能力，提升电源的可靠性，从而提升整机设备的可靠性，降低输入电压波动对电源和设备的失效影响。
 

• 输入电压过压原因

工控设备工作在户外或是有电动机等大型厂房的应用场合时，设备中的开关电源在工作一段时间后突然就无输出，拆开电源外壳查看内部元器件，发现电源输入端的压敏电阻炸裂或是大电解电容炸裂，甚至电源中的主功率MOS管也炸裂失效，元器件失效现象如下图所示。

以上电源中元器件的失效原因往往是输入端存在过高的电压，或是输入电压中有叠加很高的电压尖峰，导致电源的输入电压超过元器件的最大承受电压而失效。

以上两种情况，一旦输入电压波动过大，超过电源中元器件承受的最大电压应力，元器件就会失效，导致电源失效。
 
1.1 输入电网电压波动
输入电网电压波动会导致输入电压过压，主要是电网中的负载出现较大波动导致。例如在用电高峰时期电网电压往往偏低；在一些有大型电动机或是感性负载的厂房场合，当负载停机或是开机时，往往都会急剧抬高或拉低电网的电压，导致电网波动。国家标准对电网电压波动等级有如下规定：

电网电压幅值实际变化范围随电网容量的大小、输配电设备质量的好坏、用电量的大小、电网后端负载、实际应用环境等条件不同而产生很大的差别。在供电较好的城市和工业区，电网电压变化范围通常只有±10%（电网额定电压220VAC，波动上限为264VAC）左右。因此开关电源的输入电压最大值一般都是设计为264VAC。一旦电网电压超过264VAC，开关电源有可能会损坏，严重时甚至会造成设备跳闸、着火，对人员和财产造成威胁。
在供电条件较差的农村和边远地区、或者电网存在负载变化很大的应用场景：如山区、公路隧道，发电机等电网供电场合，电压变化范围可能要大得多，有时甚至能够达到20%~30%（274~299VAC）。此时电网输入电压已经超过电源的最高输入电压264VAC，因此电源存在很高的失效风险，导致设备停电失效。恶劣工况下的电网电压波形如下图所示。

 
1.2 电网中存在感应高压电压尖峰

当用电设备在户外场合时，在雷雨天气打雷时，电网中有时会感应到雷电高压尖峰电压，导致电网输入电压存在一个较高的电压尖峰，此尖峰电压会叠加到220VAC输入电压中，导致尖峰电压随之进入电源内部，电源内部的元器件过压损坏。最恶劣的情况是雷电直接击中电网电线，导致电网电压瞬间上升到电源和设备无法承受的值，电源直接损坏。如下图所示，当感应电压进入到电源内部时，输入大电解电容两端会产生一个很高的浪涌尖峰电压。此尖峰电压会导致大电容过压失效。

 

• 输入过压时电源的元器件电压应力分析

全球通用的电网电压主要有110VAC和220VAC两种，按照电网电压正常波动±10%设计开关电源的输入电压范围，因此开关电源的输入电压范围基本都是85~264VAC，以便适应全球通用电压范围应用。开关电源常用的原理拓扑主要有反激、正激和LLC三种，我们以最常用的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。分析当电网电压过压到305VAC时，开关电源中的元器件根据电压应力情况如何选择合适的参数，以便电源在安全可靠的条件下正常工作。

 
2.1 保险丝F1额定电压选择

保险丝在正常工作时，其阻值是非常低，相当于一根导线。只有当流过的电流过大时，超过保险丝的熔断电流后，保险丝才会熔断，此时保险丝的额定电压值才变得重要。当保险丝内部的熔丝熔断后，保险丝必须快速的断开，并且断开后两端不能有拉弧现象发生，从而形成开路情况保护后端电路。在保险丝断开后，两端承受的电压不能让断开的熔丝再次发生拉弧而导电。因此保险丝的额定电压指的是熔断后其两端能够承受的最高电压，在此电压下，熔断的保险丝不能被击穿拉弧而导电。

保险丝常见的额定电压规格有125V、250V、300V、400V等，对于输入电压最高为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就可(还要考虑成本)。因此在输入电压波动到305VAC时，开关电源中选择300VAC规格额定电压值的保险丝，可以提高电源的可靠性，降低电压波动对电源的影响。
 
2.2 压敏电阻RV1额定电压选择

压敏电阻的作用：在实际电路应用中，压敏电阻RV1是并联在输入端L和N线之间。当电路正常工作时，它处于高阻状态，不影响电路正常工作；但是当电路出现异常瞬时过电压并达到其导通电压（压敏电压）时，压敏电阻迅速由高阻状态变为低阻状态，泄放由异常瞬时过电压导致的瞬时过电流，同时把异常瞬态过电压钳位在一个安全水平之内，从而保护后级电路免遭异常瞬时过电压的损坏，达到防止输入电压瞬时过压损坏电源的作用。

常见的压敏规格如下表：

压敏电阻的额定压敏电压值要大于实际电路中的稳态工作输入电压值，即连续施加在压敏电阻两端的输入电压值要小于压敏电阻规格书中的“最大连续工作电压值”。如上表，300V AC和385V DC的压敏显然不满足长时间工作在305VAC输入电压条件下。为防止压敏电阻损坏，同时为了防护输入电压存在电压尖峰波动导致电源失效，输入处的压敏电阻需要选择561规格型号，提高电源的抗输入电压波动能力和抗输入尖峰电压能力，从而提高电源的可靠性和设备的可靠性。

2.3 X电容CX1额定电压选择

X安规电容主要是跨接在输入L和N线之间，其额定电压一般有：275V / 305V / 310VAC等。出现这样的情况，主要是不同国家的安规认证标准不一样、不同安规认证要求的额定电压不一样导致。CQC认证要求的额定电压是310V AC，其它国家要求为：275V、305V AC、310V AC。为提高电源的可靠性，在对应输入电压波动比较大的应用场合，选择额定电压值为310VAC的X安规电容，可以提高电源的抗输入过压能力，提高电源的可靠性。

2.4 整流桥BD1额定电压选择

整流桥的作用是把交流电压整流成脉动的直流电压，因此其额定电压值的选取是由输入电压值决定的。

因此整流桥可以选用600V额定电压规格的元器件，但是在实际应用中，由于开关电源的输入电压存在一定的波动，实际的输入电压值有时会超过电源的最大工作电压值；同时开关电源还需要满足EMC性能实验，特别是雷击浪涌和脉冲群实验，都是在输入电压基础上叠加电压尖峰。因此为了提高电源的可靠性，整流桥一般都是选用规格值为1000V的元器件。
 
2.5 输入大电解电容C1额定电压选择


因此为了应对输入电压存在较大波动情况下，电容还留有一定的电压裕量，大电解电容的额定电压值应该选用450VDC规格的电解电容（如果选择更高的耐压值，成本和体积都会大大增加）。
 
2.6 MOS管Q1额定电压选择
在反激拓扑原理中，MOS管的电压应力计算如下所示：

因此考虑到输入电压在305VAC基础上存在一定的波动而输入电压过压，选用规格为650V的MOS管在电路中工作，MOS管的应力还有一定的裕量，并且MOS管的电压应力可以通过进一步调整变压器和电路参数进行优化降低。

因此当输入电压在305VAC稳态工作时，即使电网电压存在一定的波动，选用650V的MOS管，也是有一定的电压应力裕量，可以提高电源在输入过压下的可靠性。当然MOS管的规格参数可以选用更高的电压值，但是成本也会上升。
 
2.7 二极管D1额定电压选择


因此输入电压、变压器的原次边匝比n不同，MOS管和二极管的电压应力值如下表所示：

由上表可知，若开关电源的输入电压只考虑到=373VDC（此时交流输入电压值为264VAC），MOS管和二极管的电压应力规格取值都会偏小。此时开关电源不能适用于=431VDC（交流输入电压305VAC）的情况。因此对于输入电压范围为85-264VAC的开关电源而言，一旦输入电压波动超过264VAC的最高额定工作电压时，电源就会有输入过压损坏的风险。

综上所述，以开关电源的输出电压12V为例，考虑到305VAC输入电压波动的情况、或是存在雷击浪涌尖峰电压情况下，为保证二极管可靠工作，二极管选取规格参数150VDC为宜。当然也可以通过调整优化变压器的匝比、漏感和二极管的吸收电路参数等，降低二极管的电压应力，选取100V规格的二极管。只是二极管的电压应力裕量会比较小。
 

• 输入过压防护要求和解决方案

根据上面的分析可知，开关电源的输入过压主要有两个原因：1、输入电网电压波动，输入电压超过开关电源的最高工作电压；2、输入电压中存在尖峰电压；

3.1 输入电网电压波动的输入过压防护方案

针对输入电网波动时开关电源的防护方案，根据本文第二章对电源中各个元器件的电压应力计算可知，为了解决输入电压过压导致开关电源的损坏，最好的办法就是优化元器件的电压应力，选用更高规格参数的元器件。以下表格中是最高输入电压为264VAC和电压波动到305VAC时的元器件选取规格参数。

同时，输入电压波动到更高的电压后，电源内部的任意两点之间的绝缘电压也会随之升高，为了加强电源内部的绝缘性能，增加可靠性。可以通过加大电源内部走线和元器件之间的电气间隙和爬电距离来保持高压导线之间的安全距离，这样就不会因为安全距离不够而产生的拉弧、放点现象，导致电源损坏或是危害人身安全。

 

因此根据以上分析，对于输入电网电压波动导致的输入过压的防护方案，可以采取以下两个措施：1、开关电源中的关键元器件的规格选用更高等级的参数(当然需要兼顾可靠性和成本的平衡)；2、同时加大电源中的走线和元器件之间的电气间隙和爬电距离；通过这两个方案的结合，开关电源防护输入过压的能力会大大提高，增加开关电源抗输入电网电压波动导致的输入过压损坏的风险。
 
3.2 输入电网中存在高压尖峰电压的输入过压防护方案

对于输入电网电压波动的输入过压，此过电压维持的时间比较长，是一个稳态过程，因此需要通过3.1节中的方案进行防护。对于电网输入电压中存在瞬间的高压尖峰电压的输入过压防护，由于此尖峰电压持续的时间非常短，一般为毫秒甚至是微秒级别。此高压尖峰电压的特点是：尖峰电压高，持续时间短，尖峰电压的能量并不大。根据此尖峰电压的特点，可以通过压敏电阻进行钳位防护，或是在开关电源的输入端增加一个滤波器，防护效果更好。

在实际的开关电源应用场合中，输入电网电压波动和高压尖峰电压可能会同时存在，因此为了防护此更加恶劣的工作条件下的开关电源，可以结合以上两种解决方案，以便增强开关电源的应用可靠性，提升设备的抗输入过压能力。
 

• 总结

本文通过在实际应用开关电源的过程中遇到的开关电源输入过压失效现象，对开关电源由于输入过压导致失效的原因分析，从理论计算给出开关电源中关键元器件的电压应力分析，确定开关电源中关键元器   件的电压应力选型依据和选型规格，同时通过优化电源中的走线和元器件之间的电气间隙和爬电距离增加电源的抗输入过压能力。针对开关电源的输入过压两种可能情况（输入电网电压波动和输入电压中存在高压尖峰电压），分别给出解决方案。如果在实际应用过程中，此两种解决方案同时应用，可以大大增加开关电源的抗输入过压能力，提升开关电源的应用可靠性和设备的运行可靠性。

针对抗输入过压的电源产品，旭之源科技有相应的电源产品方案：升级版AM-V2系列和半灌胶AMF-UH系列，这两个系列的开关电源可以很好的解决输入过压导致电源失效的问题。另外也能通过搭配滤波器，进一步增强开关电源的抗输入过压时的风险，提升开关电源和设备的工作可靠性。