開關電源前端EMC 電路器件選型與浪涌抗擾度關系研究

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

目前大多數家電產品使用中小功率開關電源為主板上其他電路供電,保證開關電源能通過各項EMC 試驗,一般的開關電源前端都有一個EMC 電路,電路架構如圖1 所示。

圖1 開關電源EMC 電路架構及關鍵器件

電路的電磁兼容性研究及標準就目前來說相對比較成熟,只要EMC 電路的電磁兼容性符合標準,該部分電路的器件的規格選型符合正常邏輯即為合理設計,但對浪涌抑制電路的保護器件相互之間的匹配沒有做出更深層的考慮和研究。結合猜想和相關實驗驗證后發現,浪涌抑制電路中關鍵器件的匹配在一定程度上會影響開關電源的可靠性,因此本次研究和實驗對開關電源浪涌抑制電路的器件選型進行一定的完善及優化,對開關電源的設計、失效分析都提供新的思考方向。

電路中浪涌抗擾度的關鍵器件及作用如下：

保險管——過流保護,當后端電路異常出現大電流時保險管熔斷；

壓敏電阻——過壓防雷保護,當零火線之間電壓超過其壓敏電壓時導通并吸收浪涌；

整流橋——將前端輸入交流電轉換成直流電；

高壓電解電容——平滑濾波,將正弦半波電壓平滑成穩定的直流電壓；

開關電源芯片——開關電源核心,內含開關電源邏輯控制電路與功率MOSFET 管。

統計顯示開關電源在實際使用中,上述電路中的壓敏電阻、保險管、整流橋、電解電容是損壞的最多的器件,而失效分析發現主要是因為交流220V 電網中出現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對其抗浪涌沖擊有影響外,不同型號的壓敏電阻、高壓電解電容器相互匹配對抗浪涌沖擊能力也有非常大的影響。

在開關電源進行差模浪涌試驗中通過對開關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的匹配組合,監測采集浪涌試驗時浪涌抑制電路關鍵節點的電壓、電流波形,最后對數據進行整理分析,得出各種器件的選型原則和基本參數,以及壓敏電阻和高壓電解電容的最優匹配組合,從而提高開關電源的浪涌抗擾能力。

2 試驗方法

試驗標準：GB/T 17626.5-2019 浪涌抗擾度；

試驗設備：CWS600；

浪涌波形：差模浪涌1.5/50μs 浪涌脈沖電壓,相位90°；

監測采集節點：

通過保險管的浪涌電流I1——串聯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。

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

浪涌試驗電壓——按標準進行1kV、2kV、3kV、4kV、5kV 共五個級別差模浪涌試驗。

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

3 試驗結果

3.1 浪涌電壓測試

按照上述試驗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 浪涌電流測試

按照上述試驗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得到通過保險管的浪涌電流峰值(使用10mΩ 電阻采樣電壓并計算,表2,電流單位：A)。

表2 不同壓敏電阻、電解電容、浪涌電壓下通過保險管的浪涌電流

4 數據分析

4.1 壓敏電阻和電解電容匹配組合

從表1 數據分析：

小電容量10μF、4kV 浪涌情況下,采用470V、620V壓敏電阻時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壓敏電阻時電容的峰值電壓僅相差18V。

可見在電解電容容量較小時,選擇壓敏電壓低一點的壓敏電阻,吸收浪涌效果更好；電解電容容量逐漸增大后存儲能量、吸收浪涌能力提高,不同壓敏電阻對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系曲線

電解電容容量較小時應當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,但通過壓敏電阻的浪涌電流卻相對變大了,所以此時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。電解電容優選450V 而不是400V,從表1 可看出當電容量10μF 差模浪涌2kV 時,電容上的峰值電壓就已超過400V。電解電容的額定電壓越低,當電源中出現浪涌時被擊穿的概率越高,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關電源的功率決定,電容量增加時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,10μF、100μF 電容峰值電壓相差在130V 以上,故優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,對提高電解電容的壽命幫助非常大。

4.4 開關電源芯片選型

開關電源芯片優選有高壓保護的型號：原因是當電網中出現浪涌電壓導致母線電壓過高時,有高壓保護的電源芯片其控制邏輯能立即停止電源芯片內的MOSFET的開關動作,可避免反射電壓與母線電壓疊加在一起超過了MOSFET 的極限耐壓而被擊穿[4]。

筆者曾跟蹤分析過Power 的開關電源芯片TNY278（無高壓保護）和TOP264（有高壓保護）：兩款芯片的使用數量均達到500 萬以上,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部MOSFET 擊穿并燒損；可見開關電源芯片具有高壓保護功能可極大提高其可靠性。

4.5 保險管選型

保險管的額定電流一般由電源功率和工作電流決定,但保險管的抗電流沖擊能力(熱熔斷值I2T)絕不可忽視[3]。當開關電源前端出現浪涌電壓時,壓敏電阻導通后會出現峰值非常大的脈沖浪涌電流,該電流有可能將保險管熔斷而導致系統故障,從圖4 測試到的波形分析發現該浪涌試驗電流近似25μs 的正弦半波。

圖4 通過保險管的浪涌脈沖電流波形（使用10mΩ 電阻采樣電壓得到）

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

圖5 不同壓敏電阻、電解電容、浪涌電壓下通過保險管的浪涌電流關系曲線

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

4.6 整流橋選型

開關電源中的整流橋的耐壓一般有400V、600V、800V、1000V 等多種級別。從表1 數據分析,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超過了600V,選擇400V 耐壓的整流橋肯定不合適,600V 耐壓級別的整流橋也偏下限,優選耐壓800V以上的整流橋,抗電壓浪涌沖擊能力較好。

5 結論

浪涌抑制電路是開關電源可靠性的一大重要因素,作者對開關電源浪涌抑制電路中關鍵器件的選型進行研究,針對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,對上述試驗數據及數據整理分析,得出以下幾點結論：

5.1 在同一型號壓敏電阻、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小；可以理解為電容量越大,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小；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,吸收了更多的能量,對后端電路的保護更好。

5.3 通過保險管的浪涌電流只與壓敏電阻型號、浪涌電壓大小有關系。

相關的開關電源開發者可直接從上述表1、表2 中獲取數據做分析；其次可根據作者相關的電子元器件統計分析數據和經驗,對自己開發的產品做參考,從而提升開關電源及所在電子產品、家電產品的可靠性。