電源電路的安全與可靠性設(shè)計(jì)

人們?cè)诳船F(xiàn)今的消費(fèi)和工業(yè)應(yīng)用設(shè)備時(shí)，很容易關(guān)注其功能，并理所當(dāng)然地相信電源系統(tǒng)的可靠性。在諸如機(jī)頂盒、數(shù)字電視和DVD播放機(jī)之類(lèi)的消費(fèi)電子產(chǎn)品中，像高清晰度圖像和家庭影院質(zhì)量的音頻系統(tǒng)非常吸引消費(fèi)者的關(guān)注，此類(lèi)功能也提供了競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

然而，設(shè)計(jì)工程師必須要考慮的是，內(nèi)外部電氣對(duì)系統(tǒng)的威脅會(huì)危及到這些帶來(lái)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的功能。無(wú)論是附近的雷暴、接入電網(wǎng)的大型感性負(fù)載的開(kāi)關(guān)，還是來(lái)自設(shè)備外部的瞬時(shí)浪涌電流所造成的威脅都會(huì)使該設(shè)備發(fā)生故障。此外，由于電容器之類(lèi)的元件或FET已達(dá)到使用壽命導(dǎo)致的內(nèi)部故障電流，如果用戶(hù)不夠小心的話(huà)會(huì)造成安全危害。大約30%的現(xiàn)場(chǎng)故障是由電氣過(guò)應(yīng)力(EOS)引起的。

設(shè)計(jì)工程師們可通過(guò)對(duì)電源提供電氣保護(hù)和保證長(zhǎng)期安全運(yùn)行的方法，協(xié)助為客戶(hù)提供有價(jià)值的服務(wù)。本文旨在向設(shè)計(jì)工程師提供如下幫助：識(shí)別對(duì)電源的電氣威脅(閃電和基于系統(tǒng)的浪涌電流和故障電流)；了解可用的電路保護(hù)解決方案；使用主要電路保護(hù)參數(shù)，選擇適合的器件。

圖1中簡(jiǎn)要介紹了令人關(guān)切的電路以及典型的電氣威脅，這些威脅有可能在整個(gè)工作期間存在于電源中。源于電源系統(tǒng)的威脅包括瞬時(shí)電壓，諸如閃電和負(fù)載切換事件等。由電源電路引起的威脅包括短路事件和過(guò)載狀況(故障電流)。

在初級(jí)端電路上，解決瞬時(shí)浪涌電流的典型方法是金屬氧化物可變電阻(MOV)。這些器件會(huì)將輸入浪涌電流鉗位在一個(gè)電平上，該電平使電源元件能夠不受到影響并正常工作。選擇MOV的主要標(biāo)準(zhǔn)包括工作電壓、能量處理性能和峰值脈沖電流性能。

MOV的工作電壓是MOV能正常工作不會(huì)擊穿(變?yōu)閷?dǎo)電的)的電壓電平。該電壓通常是首先要決定的參數(shù)，而且很簡(jiǎn)單。要指定工作電壓，設(shè)備的線(xiàn)電壓則要增加20%，以允許電源系統(tǒng)的電壓增長(zhǎng)。這樣做的目的是保證MOV對(duì)系統(tǒng)中的瞬時(shí)事件做出反應(yīng)，而不對(duì)臨時(shí)狀況做出反應(yīng)。

舉例來(lái)說(shuō)，假定線(xiàn)電壓為120VAC，那么應(yīng)考慮的最低工作電壓參數(shù)為120VAC×1.20＝144VAC。由于MOV通常不會(huì)額定為144VAC，因此應(yīng)選擇高于該值的工作電壓。所以，對(duì)于120VAC的線(xiàn)電壓而言，應(yīng)選擇工作電壓為150VAC的MOV。

MOV峰值脈沖電流額定值是其能夠處理又不改變電氣特性的最大瞬態(tài)電流值。該參數(shù)被指定為一個(gè)已知波形值(通常為8×20us)并呈圖表形式，這樣工程師就可以根據(jù)峰值脈沖電流、脈沖寬度和脈沖數(shù)確定某個(gè)特定的MOV預(yù)期能承受多少個(gè)脈沖。這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)镸OV廠(chǎng)商通常會(huì)提供多個(gè)系列的MOV，而且峰值脈沖電流特性在選擇適合的MOV系列時(shí)是關(guān)鍵參數(shù)。下面我們通過(guò)一個(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)明此概念。

在該實(shí)例中，假設(shè)指定浪涌電流為8×20us、3,000A。此外，已確定該應(yīng)用將要經(jīng)受住40個(gè)這樣的瞬變事件。圖2所示的是Littelfuse C-III系列MOV 14mm片狀可變電阻器的脈沖額定曲線(xiàn)，可用以確定其適用性。

圖1：對(duì)電源產(chǎn)生安全威脅的因素

圖2：14mm片狀可變電阻沖擊試驗(yàn)額定曲線(xiàn)

要閱讀該圖，先要沿著x軸找到脈沖時(shí)間(20us)，然后向著正的y軸方向繼續(xù)，直到峰值浪涌電流(3,000A)相交為止。該點(diǎn)然后將位于兩條為預(yù)期脈沖性能提供邊界的曲線(xiàn)之間。在本實(shí)例中，該點(diǎn)位于101和102脈沖曲線(xiàn)之間。換言之，14mm的C-III MOV預(yù)期能承受10和100個(gè)20us持續(xù)時(shí)間和3,000A峰電流的脈沖。根據(jù)產(chǎn)品手冊(cè)，指定值為40脈沖。

對(duì)UltraMOV和LA系列可做同樣的分析，數(shù)值分別為2~10和1~2脈沖。因此，C-III系列MOV最適合這套特定的標(biāo)準(zhǔn)。其它可考慮的參數(shù)是盤(pán)形直徑、能量性能和引腳間隔。有了這樣的信息，工程師即可確定到底哪個(gè)MOV最適合正在設(shè)計(jì)的電源需求。

對(duì)于初級(jí)電路的安全，如果發(fā)生故障電流的情況，用熔絲將流入電源的電流和電源斷開(kāi)。在電路中，熔絲被故意設(shè)計(jì)成薄弱環(huán)節(jié)，并在燒焦或冒煙前就將故障電流切斷。

所選擇的熔絲應(yīng)該是：在足夠低的電平熔斷以保護(hù)電路，但該電平又要夠高，以至于在正常啟動(dòng)期間不會(huì)熔斷。這就是在另一方面所謂的“討厭的跳閘”。特別要關(guān)注的是浪涌電流。當(dāng)應(yīng)用電路被打開(kāi)，非線(xiàn)性元件(電容器和電感器)開(kāi)始充電時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生這些電流。這些“脈沖”會(huì)比正常工作電流的量大許多倍，但通常又很短命(幾十到幾百微妙)。

選擇熔絲的第一步是確定電路的正常工作電流，以及熔絲所在電路區(qū)域環(huán)境溫度。最后，鑒定合格達(dá)到UL標(biāo)準(zhǔn)的熔絲還必須將其等級(jí)向下再下調(diào)25%，方可將其安裝到電路上。然后可使用下列方程式：


例如，如果一個(gè)電源引入5A的電流，預(yù)期溫度會(huì)達(dá)到80℃，那么最小熔絲等級(jí)應(yīng)為：


因?yàn)檎糜?.02A等級(jí)的熔絲，所以使用了僅次于最近等級(jí)(比適合的電流強(qiáng)度等級(jí)大)的熔絲。在本例中，選定的熔絲等級(jí)應(yīng)為8A。

在選定了電流強(qiáng)度等級(jí)后，下一步就要保證熔絲在電源的預(yù)期壽命里不會(huì)經(jīng)歷令人討厭的跳閘。要做到這一點(diǎn)，就有必要捕捉到在電源上電時(shí)產(chǎn)生的浪涌電流活動(dòng)的蹤跡，并計(jì)算出該浪涌電流的能量(也稱(chēng)為I2t值)。這通常會(huì)是歷時(shí)短暫的雙指數(shù)曲線(xiàn)。人們感興趣的數(shù)據(jù)是峰電流和浪涌電流的持續(xù)時(shí)間。也有必要對(duì)電源在其工作壽命中預(yù)期要經(jīng)歷的上電周期數(shù)進(jìn)行估計(jì)。

具備該項(xiàng)數(shù)據(jù)后，即可通過(guò)將浪涌電流的波形與熔絲廠(chǎng)商提供的數(shù)據(jù)表或參考材料相比較的方法選擇適合的方程式。在本例中，假定浪涌電流確實(shí)顯示出雙指數(shù)波形。這樣，即可使用下列方程式：


例如，如果浪涌電流脈沖的值為500A，該脈沖的持續(xù)時(shí)間為120us，且上電周期的預(yù)期數(shù)為10,000，那么該熔絲的最低I2t值為：


現(xiàn)在可將所有信息放到一起。經(jīng)計(jì)算，需要8A等級(jí)的熔絲，而且融化I2t值至少需要51.72A2s。電源供電通常使用玻璃盒裝熔絲，Littelfuse的2AG(224/225)系列乃是具有空間效益的選擇。細(xì)看與8A等級(jí)對(duì)應(yīng)的器件參數(shù)，I2t值為56A2s。由于該數(shù)值超過(guò)上述計(jì)算要求，因此該熔絲乃是此項(xiàng)電源供電的適當(dāng)選擇。

有兩個(gè)額外的考慮，可能適合于某些設(shè)計(jì)。在第一個(gè)示例中，可能有諸如UL 1414之類(lèi)的規(guī)范要求，以保證電源底盤(pán)與交流輸入的供電絕緣。在本例中，可用高電壓氣體放電管(GDT)與MOV串聯(lián)使用，確保需要的絕緣。

第二個(gè)考慮是在電源次級(jí)端輸出保護(hù)，減少作用在電源后續(xù)電路上的電應(yīng)力。在已知電路易受瞬態(tài)電壓影響時(shí)則需要這樣做。在本例中，在電源的直流輸出線(xiàn)路上安裝了瞬態(tài)電壓抑制二極管(引腳安裝或表面安裝)，這樣即可實(shí)現(xiàn)分級(jí)保護(hù)方案并使瞬態(tài)電壓的量級(jí)進(jìn)一步降低。

作者：

James Colby

行銷(xiāo)工程師

Littelfuse公司