一種交流開(kāi)關(guān)按鍵電路的失效分析與措施

摘 要：某發(fā)信機(jī)電源采用軟件延時(shí)關(guān)機(jī)，在交流開(kāi)關(guān)按鍵關(guān)閉后，微機(jī)還需維持電源供電，并開(kāi)始計(jì)時(shí)，累積到延時(shí)關(guān)機(jī)時(shí)間，微機(jī)發(fā)送信號(hào)關(guān)閉PFC電源，從而關(guān)閉發(fā)信機(jī)所有電源。由于交流開(kāi)關(guān)按鍵電路直接切換交流220 V時(shí)，后級(jí)有濾波電容和負(fù)載，因此切換瞬間浪涌電流非常高，而按鍵開(kāi)關(guān)在過(guò)高浪涌電流下易被鎖死，導(dǎo)致關(guān)機(jī)失效，給發(fā)信機(jī)電源帶來(lái)一定的安全隱患。針對(duì)上述問(wèn)題，首先抓取交流開(kāi)關(guān)按鍵電路上電切換瞬間的電流波形，并對(duì)該電路進(jìn)行Saber仿真電流波形分析；然后在該電路上串聯(lián)熱敏電阻NTC，并對(duì)不同NTC阻值的浪涌電流進(jìn)行分析，確保在低溫低電壓環(huán)境中，發(fā)信機(jī)電源仍能夠正常開(kāi)機(jī)與關(guān)機(jī)。該措施簡(jiǎn)單易行，工作穩(wěn)定可靠，可有效解決交流開(kāi)關(guān)機(jī)失效問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：發(fā)信機(jī)電源；交流開(kāi)關(guān)按鍵；NTC；上電切換；Saber仿真；浪涌電流

中圖分類(lèi)號(hào)：TP29；TM464 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）07-0-03

0 引 言

某發(fā)信機(jī)電源的輸入既要滿足交流輸入又要滿足直流輸入，以及當(dāng)交直流同時(shí)輸入時(shí)交流輸入優(yōu)先的要求。其輸入的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)一個(gè)開(kāi)關(guān)按鈕控制交直流兩種輸入，其中交流輸入為交流220 V，因此直接開(kāi)關(guān)切換交流220 V會(huì)引起較大浪涌電流，特別是在低溫低電壓時(shí)，易引起開(kāi)關(guān)按鍵電路失效的現(xiàn)象[1-6]。

針對(duì)開(kāi)關(guān)按鍵電路出現(xiàn)失效的現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)切換瞬間的電壓、電流波形的分析，發(fā)現(xiàn)其尖峰浪涌電流要遠(yuǎn)大于開(kāi)關(guān)的額定工作電流。因此為了抑制該浪涌電流，在交流220 V輸入端串接熱敏電阻NTC16D-11，但發(fā)現(xiàn)在后續(xù)的復(fù)合試驗(yàn)中，還是會(huì)不時(shí)地出現(xiàn)關(guān)機(jī)失效現(xiàn)象。考慮尖峰電流抑制沒(méi)有徹底解決，繼續(xù)改換熱敏電阻，以實(shí)現(xiàn)正常開(kāi)關(guān)機(jī)，滿足發(fā)信機(jī)電源開(kāi)關(guān)機(jī)要求[7-10]。

1 發(fā)信機(jī)電源

圖1為某發(fā)信機(jī)電源的原理框圖，圖中交流開(kāi)關(guān)模塊為交流220 V開(kāi)關(guān)切換電路，微機(jī)檢測(cè)到該交流輸入的電壓開(kāi)關(guān)信號(hào)后，發(fā)出信號(hào)控制繼電器閉與合，實(shí)現(xiàn)對(duì)PFC（Power Factor Correction）電源開(kāi)機(jī)與關(guān)機(jī)的控制，從而控制發(fā)信機(jī)電源的開(kāi)關(guān)。交流開(kāi)關(guān)模塊與直流開(kāi)關(guān)模塊共用一個(gè)開(kāi)關(guān)按鍵，由于開(kāi)關(guān)按鍵有其工作電流和電壓范圍，因此在切換交流時(shí)引起的過(guò)高浪涌電流會(huì)引起開(kāi)關(guān)按鍵失效的現(xiàn)象。

2 交流開(kāi)關(guān)按鍵電路

圖2為交流開(kāi)關(guān)模塊電路原理，圖中R1為熱敏電阻，U1為整流橋，C1與C2為電解電容，B為DC/DC變換器。L為交流220 V的火線，N為交流220 V的零線，K為電路連接的開(kāi)關(guān)按鍵。K連接即為開(kāi)關(guān)按鍵閉合，K斷開(kāi)即為開(kāi)關(guān)按鍵彈回?cái)嚅_(kāi)。在開(kāi)關(guān)按鍵切換瞬間會(huì)引起浪涌電流，依靠熱敏電阻R1吸收，因此熱敏電阻的選取對(duì)開(kāi)關(guān)機(jī)瞬間的狀態(tài)影響巨大。

圖3為開(kāi)關(guān)按鍵示意圖，圖中有8個(gè)引腳，4個(gè)開(kāi)關(guān)通道。引腳1與引腳5為第一通道，引腳2與引腳3為第二通道，引腳4與引腳6為第三通道，引腳7與引腳8為第四通道，其中交流220 V輸入開(kāi)關(guān)為開(kāi)關(guān)按鍵的第四通道，即為圖2中的開(kāi)關(guān)K。圖3的開(kāi)關(guān)按鍵工作原理為：按鍵按下，四路通道連通，按鍵彈回，四路通道斷開(kāi)。由于每路通道有其工作電流和電壓范圍，因此在交流220 V輸入時(shí)，過(guò)高的浪涌電流會(huì)導(dǎo)致第四路通道鎖死，從而引起關(guān)斷交流220 V失效。

3 關(guān)機(jī)失效分析

3.1 實(shí)測(cè)波形分析

圖4是熱敏電阻R1為NTC16D-11時(shí)的實(shí)測(cè)浪涌電流波形。在該浪涌電流下，后級(jí)接入發(fā)信機(jī)等負(fù)載，不時(shí)會(huì)出現(xiàn)關(guān)機(jī)失效現(xiàn)象，即關(guān)機(jī)失靈，立即強(qiáng)制拔電后，再次上電，仍然關(guān)機(jī)失靈，只有用螺絲刀輕敲圖3所示的開(kāi)關(guān)按鍵或長(zhǎng)時(shí)間放置后，重新上電，才能有效關(guān)機(jī)。

圖3的開(kāi)關(guān)按鍵額定電流是1 A，但從圖4可知，其浪涌電流尖峰會(huì)達(dá)到16 A，圖中10 mV對(duì)應(yīng)電流是1 A，可看到兩次尖峰電流分別為16 A和10 A，而且該浪涌電流尖峰也不是固定的。這是因?yàn)樽ト×硕鄠€(gè)浪涌電流波形，浪涌電流尖峰會(huì)在16 A與10 A附近變動(dòng)。為了確保發(fā)信機(jī)電源能夠正常開(kāi)關(guān)機(jī)，對(duì)其電路中的熱敏電阻R1進(jìn)行重新計(jì)算、仿真、試驗(yàn)。

圖5是熱敏電阻R1為NTC33D-11時(shí)的實(shí)測(cè)浪涌電流波形，其常溫下的阻值為33 Ω，相比NTC16D-11的阻值增大一倍，浪涌電流尖峰縮小到它的1/2，同樣出現(xiàn)兩次尖峰浪涌，分別是4.9 A與4 A，在該電阻R1下，發(fā)信機(jī)電源可以正常開(kāi)關(guān)機(jī)。

圖6是熱敏電阻R1為NTC47D-15時(shí)的實(shí)測(cè)浪涌電流波形，其常溫下的阻值為47 Ω，其浪涌電流尖峰縮小到NTC16D-11的1/3。圖6中顯示浪涌電流尖峰不到3 A，發(fā)信機(jī)電源可以正常開(kāi)關(guān)機(jī)。

3.2 仿真波形分析

圖7是針對(duì)熱敏電阻R1在Saber仿真軟件中搭建的交流開(kāi)關(guān)模塊電路仿真圖，圖8～圖10為選擇不同型號(hào)R1時(shí)的浪涌電流波形。

4 失效問(wèn)題解決措施

為了有效解決交流開(kāi)關(guān)按鍵開(kāi)關(guān)機(jī)失效問(wèn)題，通過(guò)對(duì)浪涌電流尖峰的測(cè)試與仿真分析，研究熱敏電阻阻值隨溫度變化的定量關(guān)系，理論計(jì)算公式如下：

Rt=Rn·exp{B [（1/T1）-（1/Tn）]}" " " " " " " " " " " "（1）

式中：Rt為T(mén)1溫度時(shí)的阻值，Rn為T(mén)n溫度時(shí)的阻值；B為熱敏電阻屬性系數(shù)，取值范圍是2 000～6 000 K，其中K為開(kāi)爾文溫度單位；exp=e=2.718 28。因此在試驗(yàn)測(cè)試波形中，連續(xù)兩次加電之間要留有時(shí)間讓熱敏電阻R1的溫度恢復(fù)正常，以免錯(cuò)誤波形影響對(duì)開(kāi)關(guān)機(jī)失效的分析。

圖11為熱敏電阻阻值與溫度變化實(shí)測(cè)擬合曲線[3]，該圖有效反映了其熱敏電阻阻值隨環(huán)境溫度升高而減小，而且是非線性變化關(guān)系。因此熱敏電阻的選取需要考慮發(fā)信機(jī)電源工作的環(huán)境溫度，以及開(kāi)機(jī)瞬間的浪涌電流尖峰，確保在開(kāi)關(guān)按鍵要求的范圍內(nèi)工作，從而使發(fā)信機(jī)電源可以正常開(kāi)關(guān)機(jī)。

圖12為高低溫試驗(yàn)箱的溫度設(shè)置界面，主要觀察熱敏電阻在-40 ℃時(shí)，交流開(kāi)關(guān)按鍵能否有效開(kāi)機(jī)與關(guān)機(jī)。

圖13為低溫儲(chǔ)存與開(kāi)機(jī)測(cè)試軟件讀取參數(shù)界面，該界面圖可以有效反映出交流開(kāi)關(guān)按鍵有效開(kāi)機(jī)后，發(fā)信機(jī)電源各路輸入與輸出的電壓值與電流值，以及電源的溫度值。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文圍繞交流220 V輸入時(shí)，其開(kāi)關(guān)按鍵出現(xiàn)開(kāi)機(jī)或關(guān)機(jī)失效的問(wèn)題，首先進(jìn)行了試驗(yàn)波形的抓取與分析，并對(duì)其電路進(jìn)行了建模與仿真。通過(guò)實(shí)測(cè)波形與仿真波形驗(yàn)證了阻值較大的熱敏電阻會(huì)導(dǎo)致浪涌尖峰電流較小，但會(huì)存在隨機(jī)性。其次對(duì)熱敏電阻的阻值與溫度特性進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試和數(shù)據(jù)擬合，驗(yàn)證了結(jié)果與理論公式相一致。最后還在高低溫試驗(yàn)箱驗(yàn)證了-40 ℃環(huán)境下，所選熱敏電阻可以有效開(kāi)機(jī)與關(guān)機(jī)。

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