两步走 解决开关电源输入过压的烦恼

输入过压是由电网负载的巨大波动引起的。例如，在用电高峰期，电压通常较低，而在设备关闭时，电压则较高。

电网电压幅值的实际变化范围随着电网容量、输配电设备质量、用电量以及其他因素的变化而变化很大。在拥有完善电源系统的城市和工业区里，变化范围通常只有 ±15% 左右（最大值不超过 264 VAC）。如果确实超过 264 VAC，电源可能会损坏，甚至导致设备跳闸和/或引发火灾，对安全和财产造成威胁。

但是，在供电条件差的国家和地区，或者电网中存在负载变化大的设备的场合，如山区、高速公路隧道、充电站、发电机供电等，变化范围就大得多。有时变化范围可以达到 20%~30%（最大值可以达到 274~299 VAC）。

图 1：恶劣工作环境下的电压波形。（图片来源：Mornsun Power）

 

    输入过压下电源元器件的电压应力分析   以图 2 中的反激式开关模式电源为例，分析当输入电压达到 305 VAC时，如何根据电压应力选择合适的元器件。   图 2：反激式开关模式电源。（图片来源：Mornsun Power）  

当然，这些木质试验板作为使用现代元器件的电路平台已经过时了。尽管如此，“试验板”和“试验板布局”已成为与粗略构建演示电路或子电路有关的标准术语。然而，从真空管到分立引线晶体管和无源元器件、DIPIC，到现在几乎看不见的表面贴装器件，电子技术的发展对试验板布局技术和平台产生了重大影响。

  1. 保险丝 F1 的标称电压选择 保险丝的标称电压必须大于或等于关断电路的最大电压。由于保险丝的电阻非常低，只有在试图中断电流时，其标称电压才变得重要。当保险丝元件熔断时，保险丝必须能够迅速断开，熄灭电弧，并防止开路电压通过断开的保险丝元件再次引发电弧。 保险丝的常用规格为 125 V、250 V、300 V 和 400 V。为了应对输入电压的大幅波动，应选择 300 V 的保险丝。

  2. 压敏电阻 RV1 的标称电压选择 在实际应用中，压敏电阻 RV1 在电路中一般是并联连接。当电路正常工作时，压敏电阻处于高阻状态，这不会影响电路的正常工作。当电路出现异常瞬时过压并达到其导通电压（压敏电阻电压）时，压敏电阻迅速从高阻状态变为低阻状态，将异常瞬时过压引起的瞬时过流排放掉，并将异常瞬时过压钳制在安全水平内，从而保护后续电路避免因异常瞬时过压而受损。 压敏电阻的常见规格如下：

 

压敏电阻编号	压敏电阻电压范围	最大连续交流工作电压	最大连续直流工作电压	最大极限电压
S10K300	423 V 至 517 V	300 VAC	385 VDC	775 V
S10K350	504 V 至 616 V	350 VAC	455 VDC	925 V

表 1：S10K300 和 S10K350 的压敏电阻电压规格。（图片来源：Mornsun Power）

压敏电阻的电压值应大于实际电路中的电压峰值，即连续施加于压敏电阻两端的电源电压应小于压敏电阻规格中的“最大连续工作电压值（交流和直流）”。如表 1 所示，300 VAC (385 VDC) 显然不能满足 305 VAC 的长期运行。为了防止压敏电阻损坏，在输入电压波动较大的情况下，就有必要选择 10D561 压敏电阻。

  3. X 电容器 CX1 的标称电压选择 X2 安规电容器的标称电压一般为 275 V、305 V 或 310 V，这些电压实际上是通用的。由于不同国家/地区的标称电压要求不同以及安全法规不同，X2 的标签并不一定准确。例如，中国 CQC 认证所要求的标称电压是 310 VAC，而其他国家/地区则是 275 V、305 VAC 和 310 VAC。在输入电压波动较大的情况下，最好使用 310 V 的 X 电容器。  

4. 桥式整流器 BD1 的标称电压选择 当 VIN = 264 VAC 时，桥式整流二极管的最大应力应该是：Vmax1 =264 × √2 = 373 V。 当 VIN = 305 VAC 时，桥式整流二极管的最大应力应该是：Vmax2 =305 × √2 = 431 V。 由于开关电源需要做雷击电涌测试，因此一般会选择标称电压大于 600 V 的桥式整流器。为了满足更恶劣的电涌环境，也可以选择 1000 V 的桥式整流器。  

5. 电解电容器 C1 的标称电压选择 当 VIN = 264 VAC 时，该电解电容器的最大应力应该是：Vcmax1 =264 × √2 = 373 V。 当 VIN = 305 VAC 时，该电解电容器的最大应力应该是：Vcmax2 =305 × √2 = 431 V。 在输入电压波动较大的情况下，应选择 450 V 的电解电容器。  

6.  MOS 晶体管 Q1 的标称电压选择 MOS 晶体管的电压应力 (Vmos) 等于： VIN 指的是输入电压，最大输入电压为 431 V。 VOR 是反射电压，一般为 60-120 V，与初级和次级的匝数比呈正相关性。通过优化设计，这可以假设为 80 V 或更低。 VPK 是由电感产生的峰值电压，一般在 100 V 左右；通过优化漏电感和吸收率参数，可以取为 80 V 或更低。 因此，MOS 晶体管 Q1 的工作电压压力应该是：431 + 120 + 100 = 651 V。经过优化后，Q1 的工作电压应力可以是：431 + 80 + 80 = 591 V。因此，考虑到 305 VAC 输入的电涌，为了保证 MOS 晶体管可靠工作，至少应选择 700 V 的 MOS 晶体管，但在优化变压器的匝数比和漏电感后，也可以选择 650 V 的 MOS 晶体管。

  7.  二极管 D1 的标称电压选择 二极管电压应力的计算公式为： VD-PK 指的是由次级漏电感产生的峰值电压。由于它受不同的输出电压和吸收率参数的影响很大，因此计算方法一般为：   假设输出电压为 12 V (VO= 12 V)，二极管的漏感峰值为30 V (VD-PK= 30 V)，MOS 晶体管的漏电感峰值为 80 V (VPK= 80 V)，计算如下：

-	匝数比	10	9	8	7	6
VIN = 373 V	VD	79.3 V	83.4 V	88.6 V	95.3 V	104.2 V
	Vmos	573 V	561 V	549 V	537 V	525 V
VIN = 431 V	VD	85.1 V	89.8 V	95.8 V	103.5 V	113.8 V
	Vmos	631 V	619 V	607 V	595 V	583 V

表 2：匝数比、MOS 晶体管和二极管之间的电压应力关系。（图片来源：Mornsun Power） 从表 2 可以看出，传统的开关模式电源只考虑 373 V 的输入电压 (VIN = 373 V)，而 MOS 晶体管和二极管的数值会相对较小，因而无法用于 431V 的输入电压。一旦输入电压超过 373 V，就会有损坏的风险。

综上所述，以输出电压 12 V 为例，在电涌或输入 305 VAC的情况下，为了保证二极管可靠工作，至少应选择 150 V 的二极管。然而，通过优化变压器的匝数比和漏电感，也可以选择 100 V 的二极管。

  输入过压的防护要求   根据上述计算，输入过压的最佳处理方法是优化元器件的电压应力，如元器件选择 Mornsun 的305RAC（所有条件下都可靠）电源。  

丝网印刷	元器件名称	主流电源	305RAC 电源
F1	保险丝	250 V	300 V
RV1	压敏电阻	470 V	560 V
CX1	X 电容器	275 V	310 V
BD1	整流桥	600 V 或 800 V	1,000 V
C9	大电解电容器	400 V	450 V
Q1	MOS 晶体管	600 V	>e;650 V
D22	二极管	100 V	150 V

表 3：Mornsun的 305RAC 和主流电源在若干不同标称电压下的比较。（图片来源：Mornsun Power） 同时，可以通过增加内部电气间隙和爬电距离来保持高压线之间的安全距离，避免电弧对原型造成损坏或给人员带来危险。

图 3：反激式原理图显示为避免产生电弧的电路走线安全距离（见表 4）。（图片来源：Mornsun Power）

标记号	名称	主流电源的电气间隙/爬电距离	305 RAC 电源的电气间隙/爬电距离
①②	L-N	2.0 mm / 2.5 mm	2.0 mm / 3.2 mm
③	初级侧 - 次级侧	4.6 mm / 6.4 mm	4.6 mm / 8.0 mm
④	在桥式整流器前，LN-PE	2.0 mm / 2.5 mm	2.0 mm / 3.2 mm
⑤	在桥式整流器后，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：针对图 3 中的电路对主流电源和 305RAC 电源的电气间隙/爬电距离之比较。（图片来源：Mornsun Power）  

总结

输入过压会损坏电源并对人员造成伤害。如何避免输入过压？通过对电源元器件进行电压应力分析，确定了开关模式电源的关键元器件选型指南。同时，增加电源的内部电气间隙和爬电距离，也有利于优化电压应力。

通过比较主流电源和 Mornsun "305 RAC" 电源之间元器件的标称电压、电气间隙和爬电距离，305 RAC 交流/直流电源的功能可以有效地防护输入过压。此外，该电源还适用于对温度、湿度、海拔、EMC 干扰等环境工作要求较高的恶劣和特殊环境。

  小编的话

通过本文的介绍，我们了解到如何通过电压应力分析解决输入过压这一常见问题，并由此确立开关电源关键元器件的选型，以及如何通过增加电源的内部电气间隙和爬电距离，来优化电压应力。您在开发开关电源的过程中是如何解决输入过压的问题？您在进行开关电源设计中的关键元器件选型时有哪些痛点或经验？