一種交流開關按鍵電路的失效分析與措施

摘 要：某發信機電源采用軟件延時關機，在交流開關按鍵關閉后，微機還需維持電源供電，并開始計時，累積到延時關機時間，微機發送信號關閉PFC電源，從而關閉發信機所有電源。由于交流開關按鍵電路直接切換交流220 V時，后級有濾波電容和負載，因此切換瞬間浪涌電流非常高，而按鍵開關在過高浪涌電流下易被鎖死，導致關機失效，給發信機電源帶來一定的安全隱患。針對上述問題，首先抓取交流開關按鍵電路上電切換瞬間的電流波形，并對該電路進行Saber仿真電流波形分析；然后在該電路上串聯熱敏電阻NTC，并對不同NTC阻值的浪涌電流進行分析，確保在低溫低電壓環境中，發信機電源仍能夠正常開機與關機。該措施簡單易行，工作穩定可靠，可有效解決交流開關機失效問題。

關鍵詞：發信機電源；交流開關按鍵；NTC；上電切換；Saber仿真；浪涌電流

中圖分類號：TP29；TM464 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）07-0-03

0 引 言

某發信機電源的輸入既要滿足交流輸入又要滿足直流輸入，以及當交直流同時輸入時交流輸入優先的要求。其輸入的實現是通過一個開關按鈕控制交直流兩種輸入，其中交流輸入為交流220 V，因此直接開關切換交流220 V會引起較大浪涌電流，特別是在低溫低電壓時，易引起開關按鍵電路失效的現象[1-6]。

針對開關按鍵電路出現失效的現象，通過對切換瞬間的電壓、電流波形的分析，發現其尖峰浪涌電流要遠大于開關的額定工作電流。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，但發現在后續的復合試驗中，還是會不時地出現關機失效現象。考慮尖峰電流抑制沒有徹底解決，繼續改換熱敏電阻，以實現正常開關機，滿足發信機電源開關機要求[7-10]。

1 發信機電源

圖1為某發信機電源的原理框圖，圖中交流開關模塊為交流220 V開關切換電路，微機檢測到該交流輸入的電壓開關信號后，發出信號控制繼電器閉與合，實現對PFC（Power Factor Correction）電源開機與關機的控制，從而控制發信機電源的開關。交流開關模塊與直流開關模塊共用一個開關按鍵，由于開關按鍵有其工作電流和電壓范圍，因此在切換交流時引起的過高浪涌電流會引起開關按鍵失效的現象。

2 交流開關按鍵電路

圖2為交流開關模塊電路原理，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為電路連接的開關按鍵。K連接即為開關按鍵閉合，K斷開即為開關按鍵彈回斷開。在開關按鍵切換瞬間會引起浪涌電流，依靠熱敏電阻R1吸收，因此熱敏電阻的選取對開關機瞬間的狀態影響巨大。

圖3為開關按鍵示意圖，圖中有8個引腳，4個開關通道。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輸入開關為開關按鍵的第四通道，即為圖2中的開關K。圖3的開關按鍵工作原理為：按鍵按下，四路通道連通，按鍵彈回，四路通道斷開。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，過高的浪涌電流會導致第四路通道鎖死，從而引起關斷交流220 V失效。

3 關機失效分析

3.1 實測波形分析

圖4是熱敏電阻R1為NTC16D-11時的實測浪涌電流波形。在該浪涌電流下，后級接入發信機等負載，不時會出現關機失效現象，即關機失靈，立即強制拔電后，再次上電，仍然關機失靈，只有用螺絲刀輕敲圖3所示的開關按鍵或長時間放置后，重新上電，才能有效關機。

圖3的開關按鍵額定電流是1 A，但從圖4可知，其浪涌電流尖峰會達到16 A，圖中10 mV對應電流是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。這是因為抓取了多個浪涌電流波形，浪涌電流尖峰會在16 A與10 A附近變動。為了確保發信機電源能夠正常開關機，對其電路中的熱敏電阻R1進行重新計算、仿真、試驗。

圖5是熱敏電阻R1為NTC33D-11時的實測浪涌電流波形，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，同樣出現兩次尖峰浪涌，分別是4.9 A與4 A，在該電阻R1下，發信機電源可以正常開關機。

圖6是熱敏電阻R1為NTC47D-15時的實測浪涌電流波形，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，發信機電源可以正常開關機。

3.2 仿真波形分析

圖7是針對熱敏電阻R1在Saber仿真軟件中搭建的交流開關模塊電路仿真圖，圖8～圖10為選擇不同型號R1時的浪涌電流波形。

4 失效問題解決措施

為了有效解決交流開關按鍵開關機失效問題，通過對浪涌電流尖峰的測試與仿真分析，研究熱敏電阻阻值隨溫度變化的定量關系，理論計算公式如下：

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

式中：Rt為T1溫度時的阻值，Rn為Tn溫度時的阻值；B為熱敏電阻屬性系數，取值范圍是2 000～6 000 K，其中K為開爾文溫度單位；exp=e=2.718 28。因此在試驗測試波形中，連續兩次加電之間要留有時間讓熱敏電阻R1的溫度恢復正常，以免錯誤波形影響對開關機失效的分析。

圖11為熱敏電阻阻值與溫度變化實測擬合曲線[3]，該圖有效反映了其熱敏電阻阻值隨環境溫度升高而減小，而且是非線性變化關系。因此熱敏電阻的選取需要考慮發信機電源工作的環境溫度，以及開機瞬間的浪涌電流尖峰，確保在開關按鍵要求的范圍內工作，從而使發信機電源可以正常開關機。

圖12為高低溫試驗箱的溫度設置界面，主要觀察熱敏電阻在-40 ℃時，交流開關按鍵能否有效開機與關機。

圖13為低溫儲存與開機測試軟件讀取參數界面，該界面圖可以有效反映出交流開關按鍵有效開機后，發信機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 語

本文圍繞交流220 V輸入時，其開關按鍵出現開機或關機失效的問題，首先進行了試驗波形的抓取與分析，并對其電路進行了建模與仿真。通過實測波形與仿真波形驗證了阻值較大的熱敏電阻會導致浪涌尖峰電流較小，但會存在隨機性。其次對熱敏電阻的阻值與溫度特性進行了試驗測試和數據擬合，驗證了結果與理論公式相一致。最后還在高低溫試驗箱驗證了-40 ℃環境下，所選熱敏電阻可以有效開機與關機。

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