如何有效防止开关电源的输入过电压

电源

输入过电压是由电网负载的较动引起的。例如，在峰值功耗期间电压通常较低，而在设备关闭时电压较高。

电网电压幅值的实际变化范围随电网容量、输配电设备质量、功耗等因素变化较大。在有健全电源的城市和工业区，变化范围通常只有±15%左右（最大值不超过264 V交流).如果确实超过 264 V交流，电源可能会损坏，甚至导致设备跳闸和/或引发火灾，从而威胁安全和财产。
但是，在供电条件较差的国家和地区，或在电网中存在设备负荷变化较大的场合，如山区、公路隧道、充电站、发电机供电等，变化范围要大得多。有时变化范围可达20%~30%（最大值可达274至299 V交流).

图1.恶劣工作环境中的电压波形。（图片来源：晨生电力）

输入过电压下电源组件的电压应力分析以图2中的反激式开关模式电源为例，分析输入电压达到305 V时如何根据电压应力选择合适的元件交流.

图 2：反激式开关模式电源。（图片来源：晨生电力）

1. 保险丝F1的标称电压选择

保险丝的标称电压必须大于或等于关断电路的最大电压。由于保险丝的电阻非常低，因此只有在试图中断电流时，其标称电压才变得重要。当保险丝元件熔化时，保险丝必须能够快速断开，熄灭电弧，并防止开路电压通过断开的保险丝元件再次触发电弧。

保险丝的常见规格为 125 V、250 V、300 V 和 400 V。为了应对输入电压的较动，应选择300 V保险丝。

2.压敏电阻RV1额定电压的选择

在实际应用中，压敏电阻RV1一般在电路中并联。当电路正常工作时，处于高电阻状态，不影响电路的正常工作。当电路出现异常瞬时过电压并达到其导通电压（压敏电阻电压）时，压敏电阻迅速从高阻状态变为低电阻状态，将异常瞬时过电压引起的瞬时过电流放电，并将异常瞬时过电压箝位在安全水平内，以保护后续电路免受异常瞬时过电压的损坏。

压敏电阻的常见规格如下：


压敏电阻 PN	压敏电阻电压范围	最大连续交流工作电压	最大连续直流工作电压	最大限制电压
S10K300	423 V 至 517 V	300 V交流	385 V直流	775 V
S10K350	504 V 至 616 V	350 V交流	455 V直流	925 V

表 1：S10K300 和S10K350的压敏电阻电压规格。（图片来源：晨生电力）
压敏电阻的电压值应大于实际电路中的电压峰值，这意味着连续施加到压敏电阻两端的电源电压应小于压敏电阻规格中的“最大连续工作电压值（AC和DC）”。如表1所示，300 V交流（385 V直流）显然不能满足 305 V 的长期运行交流.为了防止损坏压敏电阻，在输入电压波动较大的情况下，必须选择10D561压敏电阻。
3. X电容CX1的标称电压选择X2安全电容器的标称电压一般为275 V，305 V或310 V，实际上是通用的。由于不同国家/地区的标称电压要求不同，安全法规也不同，因此X2的标签并不总是准确的。例如，中国CQC认证所需的标称电压为310 V交流，而其他国家/地区的电压为 275 V、305 V交流和 310 V交流.在输入电压波动较大的情况下，首选310 V X电容。
4. 桥式整流器BD1的标称电压选择当 V在 = 264 V交流，桥式整流二极管的最大应力应为：Vmax1 = 264 × √2 = 373 V。
当 V在 = 305 V交流，桥式整流二极管的最大应力应为：Vmax2 = 305 × √2 = 431 V。

由于开关电源需要进行雷击浪涌测试，因此一般选择额定电压大于600 V的整流桥。为了满足更苛刻的浪涌环境，还可以选择1000 V整流桥。

5. 电解电容C1的标称电压选择当 V在 = 264 V交流，电解电容的最大应力应为：Vcmax1=264× √2=373V。
当 V在 = 305 V交流，电解电容器的最大应力应为：Vcmax2 = 305 × √2 = 431 V。

在输入电压波动较大的情况下，应选择450 V电解电容器。

6. MOS晶体管Q1的标称电压选择The voltage stress of the MOS transistor (Vmos) is equal to:

VIN refers to the input voltage with the maximum input voltage being 431 V.
VOR is the reflection voltage, generally 60-120 V, which is positively correlated to the turn ratio of primary and secondary. This can be assumed to be 80 V or less through optimal design.
VPK is the peak voltage generated from inductance, generally around 100 V, and can be taken as 80 V or less by optimizing leakage inductance and absorption parameters.
Therefore, the working voltage stress of MOS transistor Q1 should be: 431 + 120 + 100 = 651 V. After optimization, the working voltage stress of Q1 could be: 431 + 80 + 80 = 591 V. Therefore, considering the surge of 305 VAC input, and in order to ensure the reliable operation of the MOS transistor, at least a 700 V MOS transistor should be selected, but a 650 V MOS transistor can also be selected after optimizing the turn ratio and leakage inductance of the transformer.
7. Nominal voltage selection of diode D1

The computational formula of voltage stress of the Diode is:

VD-PK refers to the peak voltage generated by the secondary leakage inductance. Since it is greatly affected by different output voltages and absorption parameters, it is generally calculated as:

假设输出电压为12 V （VO= 12 V），二极管的漏感峰值为30 V（VD-PK = 30 V），MOS晶体管的MOS晶体管漏感峰值为80 V（VPK = 80 V），计算如下：


	匝数比	10	9	8	7	6
V在 = 373 V	VD	79.3 伏	83.4 伏	88.6 伏	95.3 V	104.2 伏
V在 = 373 V	V莫斯	573 V	561 V	549 V	537 V	525 V
V在 = 431 V	VD	85.1 伏	89.8 伏	95.8 伏	103.5 伏	113.8 伏
V在 = 431 V	V莫斯	631 V	619 V	607 V	595 V	583 V

表 2：匝数比、MOS 晶体管和二极管之间的电压应力关系。（图片来源：晨生电力）
从表2可以看出，传统的开关模式电源仅考虑373 V（V在 = 373 V），MOS晶体管和二极管的值会相对较小，无法应用于431 V的输入电压。一旦输入电压超过373 V，就有损坏的风险。
综上所述，以12 V的输出电压为例，以305 V的浪涌或输入为例交流，为了保证二极管的可靠运行，至少应选择150 V二极管。但是，也可以通过优化变压器的匝数比和漏感来选择100 V二极管。
输入过压保护要求

根据上面的计算，处理输入过压的最佳方法是优化组件的电压应力，例如组件选择Mornsun305RAC（全条件下可靠）电源。


丝网印刷	组件名称	主流电源	305RAC 电源
F1	保险丝	250 V	300 V
房车1	压敏电阻	470 V	560 V
CX1	X 电容器	275 V	310 V
BD1	整流桥	600 V 或 800 V	1，000 V
C9	大电解电容器	400 V	450 V
第一季度	MOS晶体管	600 V	>e;650 V
D22	二极管	100 V	150 V

表 3：Mornsun 305RAC 和主流电源在几种不同额定电压下的比较。（图片来源：晨生电力）

同时，通过增加内部电气间隙和蠕变距离，可以保持高压线之间的安全距离，避免电弧损坏原型或危及人员。

图 3：反激式原理图，显示了避免电弧的电路走线的安全距离（见表 4）。（图片来源：晨生电力）


标记编号	名字	主流电源的电气间隙/爬电距离	305 RAC 电源的电气间隙/爬电距离
①②	L-N	2.0 毫米 / 2.5 毫米	2.0 毫米 / 3.2 毫米
③	初级侧 - 次级侧	4.6 毫米 / 6.4 毫米	4.6毫米/8.0毫米
④	在整流桥之前，LN-PE	2.0 毫米 / 2.5 毫米	2.0 毫米 / 3.2 毫米
⑤	整流桥后，LN-PE	2.0 毫米 / 2.8 毫米	2.0 毫米 / 3.2 毫米
⑥	VO-PE	3.6 毫米 / 5.5 毫米	4.0毫米/6.4毫米