開(kāi)關(guān)電源前端EMC 電路器件選型與浪涌抗擾度關(guān)系研究

馮勇雄 彭文彥 王小龍

（珠海格力電器股份有限公司,廣東 珠海 519000）

1 概述

目前大多數(shù)家電產(chǎn)品使用中小功率開(kāi)關(guān)電源為主板上其他電路供電,保證開(kāi)關(guān)電源能通過(guò)各項(xiàng)EMC 試驗(yàn),一般的開(kāi)關(guān)電源前端都有一個(gè)EMC 電路,電路架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 開(kāi)關(guān)電源EMC 電路架構(gòu)及關(guān)鍵器件

電路的電磁兼容性研究及標(biāo)準(zhǔn)就目前來(lái)說(shuō)相對(duì)比較成熟,只要EMC 電路的電磁兼容性符合標(biāo)準(zhǔn),該部分電路的器件的規(guī)格選型符合正常邏輯即為合理設(shè)計(jì),但對(duì)浪涌抑制電路的保護(hù)器件相互之間的匹配沒(méi)有做出更深層的考慮和研究。結(jié)合猜想和相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn),浪涌抑制電路中關(guān)鍵器件的匹配在一定程度上會(huì)影響開(kāi)關(guān)電源的可靠性,因此本次研究和實(shí)驗(yàn)對(duì)開(kāi)關(guān)電源浪涌抑制電路的器件選型進(jìn)行一定的完善及優(yōu)化,對(duì)開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)、失效分析都提供新的思考方向。

電路中浪涌抗擾度的關(guān)鍵器件及作用如下：

保險(xiǎn)管——過(guò)流保護(hù),當(dāng)后端電路異常出現(xiàn)大電流時(shí)保險(xiǎn)管熔斷；

壓敏電阻——過(guò)壓防雷保護(hù),當(dāng)零火線之間電壓超過(guò)其壓敏電壓時(shí)導(dǎo)通并吸收浪涌；

整流橋——將前端輸入交流電轉(zhuǎn)換成直流電；

高壓電解電容——平滑濾波,將正弦半波電壓平滑成穩(wěn)定的直流電壓；

開(kāi)關(guān)電源芯片——開(kāi)關(guān)電源核心,內(nèi)含開(kāi)關(guān)電源邏輯控制電路與功率MOSFET 管。

統(tǒng)計(jì)顯示開(kāi)關(guān)電源在實(shí)際使用中,上述電路中的壓敏電阻、保險(xiǎn)管、整流橋、電解電容是損壞的最多的器件,而失效分析發(fā)現(xiàn)主要是因?yàn)榻涣?20V 電網(wǎng)中出現(xiàn)的較高的浪涌電壓而將這些器件擊穿。除了器件本身的參數(shù)對(duì)其抗浪涌沖擊有影響外,不同型號(hào)的壓敏電阻、高壓電解電容器相互匹配對(duì)抗浪涌沖擊能力也有非常大的影響。

在開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行差模浪涌試驗(yàn)中通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)電源前端浪涌抑制電路的壓敏電阻、高壓電解電容做不同參數(shù)的匹配組合,監(jiān)測(cè)采集浪涌試驗(yàn)時(shí)浪涌抑制電路關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的電壓、電流波形,最后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析,得出各種器件的選型原則和基本參數(shù),以及壓敏電阻和高壓電解電容的最優(yōu)匹配組合,從而提高開(kāi)關(guān)電源的浪涌抗擾能力。

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 17626.5-2019 浪涌抗擾度；

試驗(yàn)設(shè)備：CWS600；

浪涌波形：差模浪涌1.5/50μs 浪涌脈沖電壓,相位90°；

監(jiān)測(cè)采集節(jié)點(diǎn)：

通過(guò)保險(xiǎn)管的浪涌電流I1——串聯(lián)10mΩ 電阻采樣浪涌電壓再換算成電流。

高壓電解電容兩端電壓U1——示波器直接采樣電解電容兩端峰值電壓。

器件選型組合:

壓敏電阻——取常用的壓敏電壓470V、560V、620V 三種型號(hào)。

高壓電解電容——取常用的10μF、22μF、47μF、68μF、100μF 五種容量。

浪涌試驗(yàn)電壓——按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行1kV、2kV、3kV、4kV、5kV 共五個(gè)級(jí)別差模浪涌試驗(yàn)。

按照上述3 種壓敏電阻、5 種高壓電解電容,共有15 種組合需進(jìn)行75 次試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 浪涌電壓測(cè)試

按照上述試驗(yàn)方法中不同壓敏電阻、電解電容的組合,在不同的浪涌電壓條件下試驗(yàn)得到的電解電容兩端峰值浪涌電壓如表1 (單位：V)。

表1 不同壓敏電阻、電容量、浪涌電壓下的電解電容兩端的浪涌電壓峰值

3.2 浪涌電流測(cè)試

按照上述試驗(yàn)方法中不同壓敏電阻、電解電容的組合,在不同的浪涌電壓條件下試驗(yàn)得到通過(guò)保險(xiǎn)管的浪涌電流峰值(使用10mΩ 電阻采樣電壓并計(jì)算,表2,電流單位：A)。

表2 不同壓敏電阻、電解電容、浪涌電壓下通過(guò)保險(xiǎn)管的浪涌電流

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 壓敏電阻和電解電容匹配組合

從表1 數(shù)據(jù)分析：

小電容量10μF、4kV 浪涌情況下,采用470V、620V壓敏電阻時(shí)電容的峰值電壓相差90V；

大電容量100μF、4kV 浪涌情況下,采用470V、620V壓敏電阻時(shí)電容的峰值電壓僅相差18V。

可見(jiàn)在電解電容容量較小時(shí),選擇壓敏電壓低一點(diǎn)的壓敏電阻,吸收浪涌效果更好；電解電容容量逐漸增大后存儲(chǔ)能量、吸收浪涌能力提高,不同壓敏電阻對(duì)浪涌瞬間電容峰值電壓影響差異降低。故壓敏電阻和電解電容的匹配組合應(yīng)為：

圖3 不同壓敏電阻、電解電容、浪涌電壓下的電解電容兩端峰值浪涌電壓關(guān)系曲線

電解電容容量較小時(shí)應(yīng)當(dāng)匹配壓敏電壓較低的壓敏電阻,可有效降低電容上的浪涌峰值電壓防止被擊穿,但通過(guò)壓敏電阻的浪涌電流卻相對(duì)變大了,所以此時(shí)又該選用體積及能量耐量大的壓敏電阻[1],如能選φ14 則不要使用φ10 的壓敏電阻。

電解電容容量較大時(shí)可匹配壓敏電壓較高的壓敏電阻以降低沖擊電流,兩者可達(dá)到互相平衡。

4.2 電解電容的額定電壓選型

浪涌沖擊瞬間電解電容的電壓波形如圖2 所示,電壓峰值瞬間上升得非常高后逐步下降。電解電容優(yōu)選450V 而不是400V,從表1 可看出當(dāng)電容量10μF 差模浪涌2kV 時(shí),電容上的峰值電壓就已超過(guò)400V。電解電容的額定電壓越低,當(dāng)電源中出現(xiàn)浪涌時(shí)被擊穿的概率越高,使用壽命越短。

圖2 電解電容瞬間的浪涌電壓波形(壓敏電阻470V,電解電容22μF,浪涌電壓4kV)

4.3 電解電容的電容量選型

電解電容的容量首先由開(kāi)關(guān)電源的功率決定,電容量增加時(shí)能夠容納的能量越大,分析表1 可看出：在相同的浪涌電壓和壓敏電阻匹配情況下,電容量越大浪涌瞬間電解電容兩端的浪涌脈沖電壓越低,在4kV 浪涌時(shí),10μF、100μF 電容峰值電壓相差在130V 以上,故優(yōu)選容量較大的電解電容,如可選47μF 則不選擇22μF,而且增加電容量能夠降低紋波電流大小,對(duì)提高電解電容的壽命幫助非常大。

4.4 開(kāi)關(guān)電源芯片選型

開(kāi)關(guān)電源芯片優(yōu)選有高壓保護(hù)的型號(hào)：原因是當(dāng)電網(wǎng)中出現(xiàn)浪涌電壓導(dǎo)致母線電壓過(guò)高時(shí),有高壓保護(hù)的電源芯片其控制邏輯能立即停止電源芯片內(nèi)的MOSFET的開(kāi)關(guān)動(dòng)作,可避免反射電壓與母線電壓疊加在一起超過(guò)了MOSFET 的極限耐壓而被擊穿[4]。

筆者曾跟蹤分析過(guò)Power 的開(kāi)關(guān)電源芯片TNY278（無(wú)高壓保護(hù)）和TOP264（有高壓保護(hù)）：兩款芯片的使用數(shù)量均達(dá)到500 萬(wàn)以上,但前者的售后不良率是后者8倍以上,并且TNY278 芯片的不良品分析基本上全是內(nèi)部MOSFET 擊穿并燒損；可見(jiàn)開(kāi)關(guān)電源芯片具有高壓保護(hù)功能可極大提高其可靠性。

4.5 保險(xiǎn)管選型

保險(xiǎn)管的額定電流一般由電源功率和工作電流決定,但保險(xiǎn)管的抗電流沖擊能力(熱熔斷值I2T)絕不可忽視[3]。當(dāng)開(kāi)關(guān)電源前端出現(xiàn)浪涌電壓時(shí),壓敏電阻導(dǎo)通后會(huì)出現(xiàn)峰值非常大的脈沖浪涌電流,該電流有可能將保險(xiǎn)管熔斷而導(dǎo)致系統(tǒng)故障,從圖4 測(cè)試到的波形分析發(fā)現(xiàn)該浪涌試驗(yàn)電流近似25μs 的正弦半波。

圖4 通過(guò)保險(xiǎn)管的浪涌脈沖電流波形（使用10mΩ 電阻采樣電壓得到）

如表2 測(cè)試到通過(guò)保險(xiǎn)管的浪涌電流數(shù)據(jù),整理分析如圖5 所示,通過(guò)保險(xiǎn)管的浪涌電流主要受浪涌電壓大??；不同型號(hào)的壓敏電阻輕微影響浪涌電流大小,匹配動(dòng)作電壓較低的壓敏電阻時(shí)浪涌電流略大,反之略??；而電解電容的容量大小幾乎影響不到通過(guò)保險(xiǎn)管的浪涌電流。若開(kāi)關(guān)電源的電解電容為47μF,需要通過(guò)4kV 差模浪涌電壓試驗(yàn),則在470V 壓敏電阻情況下保險(xiǎn)管的I2T 不應(yīng)低于0.5*23092*25*10-6*=66.6；在620V壓敏電阻情況下保險(xiǎn)管的 I2T 不應(yīng)低于0.5*21582*25*10-6=58.2?？紤]到保險(xiǎn)管本身有一定的制造及測(cè)試誤差需留有余量,滿足4kV 差模浪涌時(shí)保險(xiǎn)管的熱熔斷值I2T 最好不小于80,方能達(dá)到令人滿意的售后不良率。

圖5 不同壓敏電阻、電解電容、浪涌電壓下通過(guò)保險(xiǎn)管的浪涌電流關(guān)系曲線

筆者統(tǒng)計(jì)過(guò)某一家電產(chǎn)品上使用的3.15A 熔斷器意外熔斷情況（電路板上無(wú)其他元器件異常僅更換3.15A保險(xiǎn)管又能正常工作的情況）,原3.15A 保險(xiǎn)管的I2T 在50-60 之間,售后不良率大概在30ppm 左右；將該保險(xiǎn)管的I2T 提升到80 以上,隨后保險(xiǎn)管的意外熔斷情況大幅降低,質(zhì)量提升非常明顯。

4.6 整流橋選型

開(kāi)關(guān)電源中的整流橋的耐壓一般有400V、600V、800V、1000V 等多種級(jí)別。從表1 數(shù)據(jù)分析,電解電容容量10μF、560V 壓敏電阻、4kV 浪涌情況下電解電容的峰值已經(jīng)超過(guò)了600V,選擇400V 耐壓的整流橋肯定不合適,600V 耐壓級(jí)別的整流橋也偏下限,優(yōu)選耐壓800V以上的整流橋,抗電壓浪涌沖擊能力較好。

5 結(jié)論

浪涌抑制電路是開(kāi)關(guān)電源可靠性的一大重要因素,作者對(duì)開(kāi)關(guān)電源浪涌抑制電路中關(guān)鍵器件的選型進(jìn)行研究,針對(duì)壓敏電阻和電解電容的不同組合匹配情況下做了不同電壓的浪涌電壓試驗(yàn),對(duì)上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)整理分析,得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

5.1 在同一型號(hào)壓敏電阻、同一浪涌電壓水平的情況下：電解電容的電容量越大,浪涌瞬間電解電容兩端的電壓峰值越?。豢梢岳斫鉃殡娙萘吭酱?容納的電荷（能量）越大,所以電解電容上的峰值電壓越小。

5.2 在同一型號(hào)電解電容,同一浪涌電壓水平的情況下：壓敏電阻的壓敏電壓越小,浪涌瞬間電解電容兩端的電壓越??；可以理解為壓敏電壓低的壓敏電阻其吸收浪涌電壓能力強(qiáng),吸收了更多的能量,對(duì)后端電路的保護(hù)更好。

5.3 通過(guò)保險(xiǎn)管的浪涌電流只與壓敏電阻型號(hào)、浪涌電壓大小有關(guān)系。

相關(guān)的開(kāi)關(guān)電源開(kāi)發(fā)者可直接從上述表1、表2 中獲取數(shù)據(jù)做分析；其次可根據(jù)作者相關(guān)的電子元器件統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn),對(duì)自己開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品做參考,從而提升開(kāi)關(guān)電源及所在電子產(chǎn)品、家電產(chǎn)品的可靠性。