如何有效防止開關模式電源的輸入過壓

作者：Mornsun

輸入過壓是由電網負載的巨大波動引起的。例如，在用電高峰期，電壓通常較低，而在設備關閉時，電壓則較高。

電網電壓幅值的實際變化范圍隨著電網容量、輸配電設備質量、用電量以及其他因素的變化而變化很大。在擁有完善電源系統的城市和工業區里，變化范圍通常只有 ±15% 左右（最大值不超過 264 V 交流電 ）。如果確實超過 264 V 交流電 ，電源可能會損壞，甚至導致設備跳閘和/或引發火災，對安全和財產造成威脅。

但是，在供電條件差的國家和地區，或者電網中存在負載變化大的設備的場合，如山區、高速公路隧道、充電站、發電機供電等，變化范圍就大得多。有時變化范圍可以達到 20%30%（最大值可以達到 274299伏 交流電 ）。

輸入過壓下電源元器件的電壓應力分析

以圖 2 中的反激式開關模式電源為例，分析當輸入電壓達到 305 V交流電時，如何根據電壓應力選擇合適的元器件。

圖 2：反激式開關模式電源。（圖片來源：Mornsun Power）

1.保險絲 F1 的標稱電壓選擇

保險絲的標稱電壓必須大于或等于關斷電路的最大電壓。由于保險絲的電阻非常低，只有在試圖中斷電流時，其標稱電壓才變得重要。當保險絲元件熔斷時，保險絲必須能夠迅速斷開，熄滅電弧，并防止開路電壓通過斷開的保險絲元件再次引發電弧。

保險絲的常用規格為 125 V、250 V、300 V 和 400 V。為了應對輸入電壓的大幅波動，應選擇 300 V 的保險絲。

2.壓敏電阻 RV1 的標稱電壓選擇

在實際應用中，壓敏電阻 RV1 在電路中一般是并聯連接。當電路正常工作時，壓敏電阻處于高阻狀態，這不會影響電路的正常工作。當電路出現異常瞬時過壓并達到其導通電壓（壓敏電阻電壓）時，壓敏電阻迅速從高阻狀態變為低阻狀態，將異常瞬時過壓引起的瞬時過流排放掉，并將異常瞬時過壓鉗制在安全水平內，從而保護后續電路避免因異常瞬時過壓而受損。

壓敏電阻的常見規格如下：

| | 壓敏電阻編號 | 壓敏電阻電壓范圍 | 最大連續交流工作電壓 | 最大連續直流工作電壓 | 最大極限電壓 |
| -------------- | ------------------ | ---------------------- | ---------------------- | -------------- |
| S10K300 | 423 V 至 517 V | 300 V交流電 | 385V直流 | 775 V |
| S10K350 | 504 V 至 616 V | 350 V交流電 | 455V直流 | 925V|

表 1：[S10K300]和 [S10K350]的壓敏電阻電壓規格。（圖片來源：Mornsun Power）

壓敏電阻的電壓值應大于實際電路中的電壓峰值，即連續施加于壓敏電阻兩端的電源電壓應小于壓敏電阻規格中的“最大連續工作電壓值（交流和直流）”。如表 1 所示，300 V 交流電 （385V 直流 ) 顯然不能滿足 305 V交流電的長期運行。為了防止壓敏電阻損壞，在輸入電壓波動較大的情況下，就有必要選擇 [10D561 壓敏電阻]。

3.X 電容器 CX1 的標稱電壓選擇

X2 安規電容器的標稱電壓一般為 275 V、305 V 或 310 V，這些電壓實際上是通用的。由于不同國家/地區的標稱電壓要求不同以及安全法規不同，X2 的標簽并不一定準確。例如，中國 CQC 認證所要求的標稱電壓是 310 V 交流電 ，而其他國家/地區則是 275 V、305 V交流電和 310 V 交流電 。在輸入電壓波動較大的情況下，最好使用 310 V 的 X 電容器。

4.橋式整流器 BD1 的標稱電壓選擇

當 V 在 = 264V交流電時，橋式整流二極管的最大應力應該是：Vmax1 = 264 × √2 = 373 V。

當 V 在 = 305V交流電時，橋式整流二極管的最大應力應該是：Vmax2 = 305 × √2 = 431 V。

由于開關電源需要做雷擊電涌測試，因此一般會選擇標稱電壓大于 600 V 的橋式整流器。為了滿足更惡劣的電涌環境，也可以選擇 1000 V 的橋式整流器。

5.電解電容器 C1 的標稱電壓選擇

當 V 在 = 264V交流電時，該電解電容器的最大應力應該是：Vcmax1 = 264 × √2 = 373 V。

當 V 在 = 305V交流電時，該電解電容器的最大應力應該是：Vcmax2 = 305 × √2 = 431 V。

在輸入電壓波動較大的情況下，應選擇 450 V 的電解電容器。

6.MOS 晶體管 Q1 的標稱電壓選擇

MOS 晶體管的電壓應力 (V 莫斯 ) 等于：

V在指的是輸入電壓，最大輸入電壓為 431 V。

V或者是反射電壓，一般為 60-120 V，與初級和次級的匝數比呈正相關性。通過優化設計，這可以假設為 80 V 或更低。

VPK是由電感產生的峰值電壓，一般在 100 V 左右；通過優化漏電感和吸收率參數，可以取為 80 V 或更低。

因此，MOS 晶體管 Q1 的工作電壓壓力應該是：431 + 120 + 100 = 651 V。經過優化后，Q1 的工作電壓應力可以是：431 + 80 + 80 = 591 V。因此，考慮到 305 V交流電輸入的電涌，為了保證 MOS 晶體管可靠工作，至少應選擇 700 V 的 MOS 晶體管，但在優化變壓器的匝數比和漏電感后，也可以選擇 650 V 的 MOS 晶體管。

7.二極管 D1 的標稱電壓選擇

二極管電壓應力的計算公式為：

VD-PK指的是由次級漏電感產生的峰值電壓。由于它受不同的輸出電壓和吸收率參數的影響很大，因此計算方法一般為：

假設輸出電壓為 12 V (V氧 = 12 V)，二極管的漏感峰值為 30 V ( V~D-PK ~ = 30 V)，MOS 晶體管的漏電感峰值為 80 V ( *V PK * = 80 V)，計算如下：

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

表 2：匝數比、MOS 晶體管和二極管之間的電壓應力關系。（圖片來源：Mornsun Power）

從表 2 可以看出，傳統的開關模式電源只考慮 373 V 的輸入電壓 ( *V 在 * = 373 V)，而 MOS 晶體管和二極管的數值會相對較小，因而無法用于 431 V 的輸入電壓。一旦輸入電壓超過 373 V，就會有損壞的風險。

綜上所述，以輸出電壓 12 V 為例，在電涌或輸入 305 V交流電的情況下，為了保證二極管可靠工作，至少應選擇 150 V 的二極管。然而，通過優化變壓器的匝數比和漏電感，也可以選擇 100 V 的二極管。

輸入過壓的防護要求

根據上述計算，輸入過壓的最佳處理方法是優化元器件的電壓應力，如元器件選擇 Mornsun 的 [305RAC]（所有條件下都可靠）電源。

| | 絲網印刷 | 元器件名稱 | 主流電源 | 305RAC 電源 |
| ---------- | -------------- | ---------------- | ------------- |
| F1 | 保險絲 | 250 V | 300 V |
| RV1 | 壓敏電阻 | 470 V | 560 V |
| CX1 | X 電容器 | 275 V | 310 V |
| BD1 | 整流橋 | 600 V 或 800 V | 1,000 V |
| C9 | 大電解電容器 | 400 V | 450 V |
| Q1 | MOS 晶體管 | 600 V | >e;650 V |
| D22 | 二極管 | 100 V | 150 V |

表 3：Mornsun 的 305RAC 和主流電源在若干不同標稱電壓下的比較。（圖片來源：Mornsun Power）

同時，可以通過增加內部電氣間隙和爬電距離來保持高壓線之間的安全距離，避免電弧對原型造成損壞或給人員帶來危險。

圖 3：反激式原理圖顯示為避免產生電弧的電路走線安全距離（見表 4）。（圖片來源：Mornsun Power）

| | 標記號 | 名稱 | 主流電源的電氣間隙/爬電距離 | 305 RAC 電源的電氣間隙/爬電距離 |
| -------- | ----------------------- | ----------------------------- | --------------------------------- |
| ①② | L-N | 2.0 mm / 2.5 mm | 2.0 mm / 3.2 mm |
| ③ | 初級側 - 次級側 | 4.6 mm / 6.4 mm | 4.6 mm / 8.0 mm |
| ④ | 在橋式整流器前，LN-PE | 2.0 mm / 2.5 mm | 2.0 mm / 3.2 mm |
| ⑤ | 在橋式整流器后，LN-PE | 2.0 mm / 2.8 mm | 2.0 mm / 3.2 mm |
| ⑥ | VO-PE | 3.6 mm / 5.5 mm | 4.0 mm / 6.4 mm |

表 4：針對圖 3 中的電路對主流電源和 305RAC 電源的電氣間隙/爬電距離之比較。（圖片來源：Mornsun Power）

總結

輸入過壓會損壞電源并對人員造成傷害。如何避免輸入過壓？通過對電源元器件進行電壓應力分析，確定了開關模式電源的關鍵元器件選型指南。同時，增加電源的內部電氣間隙和爬電距離，也有利于優化電壓應力。

通過比較主流電源和 Mornsun "305 RAC" 電源之間元器件的標稱電壓、電氣間隙和爬電距離，305 RAC 交流/直流電源的功能可以有效地防護輸入過壓。此外，該電源還適用于對溫度、濕度、海拔、EMC 干擾等環境工作要求較高的惡劣和特殊環境。