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電源電路的安全與可靠性設計

上網時間: 2007年01月12日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:電源  安全  可靠性  Littelfuse  電氣過應力 

當人們觀察目前的消費性設備時,很容易關注其功能,並理所當然地相信電源系統的可靠性。在諸如視訊轉換盒、數位電視和DVD播放器之類的消費電子產品中,高解析度影像和家庭影院品質的音訊系統非常吸引消費者的關注,此類功能也提供了競爭優勢。

然而,設計工程師必須要考慮的是,內外部電氣對系統的威脅會危及到這些帶來競爭優勢的功能。無論是附近的雷暴,還是接取電網的大型感性負載開關,來自設備外部的瞬態突波電流所造成的威脅會使該設備發生故障。此外,由電容器等元件或FET已屆使用年限所導致的內部故障電流,可能會在用戶不夠小心使用的情況下造成安全危害。目前約30%的現場故障是由電氣過應力(EOS)引起的。

設計工程師們可透過對電源提供電氣保護和保證長期安全執行的方法,為客戶提供有價值的服務。本文將為設計工程師提供一些幫助,包括識別對電源的電氣威脅(閃電和基於系統的突波電流和故障電流);瞭解可用的電路保護解決方案;使用主要電路保護參數以選擇適合的元件。

圖1介紹了令人關切的電路以及典型的電氣威脅,這些威脅有可能在整個工作期間存在於電源中。源於電源系統的威脅包括瞬態電壓,如閃電和負載切換事件等。由電源電路引起的威脅包括短路事件和過載狀況(故障電流)。


圖1:對電源產生安全威脅的因素

在初級端電路上,解決瞬態突波電流的典型方法是金屬氧化物可變電阻(MOV)。這些元件會將輸入突波電流鉗位在一個電平上,該電平使電源元件能夠不受到影響並正常工作。選擇MOV的主要標準包括工作電壓、能量處理性能和峰值脈衝電流性能。

MOV的工作電壓是MOV能正常工作不會擊穿(變為導電的)的電壓電平。該電壓通常是首先要決定的參數,而且很簡單。要指定工作電壓,設備的線電壓則要增加20%,以允許電源系統的電壓成長。這樣做的目的是保證MOV對系統中的瞬態事件作出反應,而不對臨時狀況作出反應。

舉例來說,假定線電壓為120VAC,那麼應考慮的最低工作電壓參數為120VAC×1.20=144VAC。由於MOV通常不會額定為144VAC,因此應選擇高於該值的工作電壓。所以,對於120VAC的線電壓而言,應選擇工作電壓為150VAC的MOV。

MOV峰值脈衝電流額定值是其能夠處理又不改變電氣特性的最大瞬態電流值。該參數被指定為一個已知波形值(通常為8×20us)並以圖表形式呈現,這樣工程師就可以根據峰值脈衝電流、脈衝寬度和脈衝數確定某個特定的MOV預期能承受多少個脈衝。這一點非常重要,因為MOV廠商通常會提供多個系列的MOV,而且峰值脈衝電流特性在選擇適合的MOV系列時是關鍵參數。以下將以實例說明此一概念。

在該實例中,假設指定突波電流為8×20us、3,000A。此外,已確定該應用將要經受住40個這樣的瞬變事件。圖2為Littelfuse C-III系列MOV 14mm晶片可變電阻器的脈衝額定曲線,可用以確定其適用性。


圖2:14mm晶片可變電阻衝擊試驗額定曲線

要閱讀該圖,先要沿著x軸找到脈衝時間(20us),然後向著正的y軸方向繼續,直到峰值突波電流(3,000A)相交為止。而後該點將位於兩條為預期脈衝性能提供邊界的曲線之間。在本實例中,該點位於101和102脈衝曲線之間。換言之,14mm的C-III MOV預期能承受10和100個20us持續時間和3,000A峰電流的脈衝。根產品規格,指定值為40脈衝。

對UltraMOV和LA系列可作同樣的分析,數值分別為2~10和1~2脈衝。因此,C-III系列MOV最適合這套特定的標準。其他可考慮的參數是盤形直徑、能量性能和接腳間隔。有了這樣的資訊,工程師即可確定到底哪個MOV最適合正設計電源需求。

對於初級電路的安全,如果發生故障電流的情況,用熔絲將流入電源的電流和電源斷開。在電路中,熔絲被故意設計成薄弱環節,並在燒焦或冒煙前就將故障電流切斷。

所選擇的熔絲應該是:在足夠低的電平熔斷以保護電路,但該電平又要夠高,以至於在正常啟動期間不會熔斷。這就是所謂的跳閘。特別要關注的是突波電流。當應用電路被打開,非線性元件(電容器和電感器)開始充電時,就會產生這些電流。這些‘脈衝’會比正常工作電流的量大許多倍,但通常存在時間很短,僅幾十到幾百微秒。

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域環境溫度。最後,鑑定合格達到UL標準的熔絲還必須將其等級向下再下調25%,方可將其安裝到電路上。然後可使用下列方程式:


例如,如果一個電源導入5A的電流,預期溫度會達到80℃,那麼最小熔絲等級應為:


因為正好有7.02A等級的熔絲,所以使用了僅次於最近等級(比適合的電流強度等級大)的熔絲。在本例中,選定的熔絲等級應為8.00A。

在選定了電流強度等級後,下一步就要保證熔絲在電源的預期壽命裡不會經歷令人討厭的跳閘。要做到這一點,就有必要捕捉到在電源上電時產生的突波電流活動的蹤跡,並計算出該突波電流的能量(也稱為i2t值)。這通常會是歷時短暫的雙指數曲線。人們感興趣的數據是峰電流和突波電流的持續時間。也有必要對電源在其工作壽命中預期要經歷的上電週期數進行估計。

具備該項數據後,即可透過將突波電流的波形與熔絲廠商提供的數據表或參考材料相較較的方法選擇適合的方程式。在本例中,假定突波電流確實顯示出雙指數波形。這樣,即可使用下列方程式:


例如,若突波電流脈衝的值為500A,該脈衝的持續時間為120us,且上電週期的預期數為10,000,那麼該熔絲的最低i2t值為:


現在可將所有資訊整合。經計算後,需要8.0A等級的熔絲,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。細看與8.0A等級對應的元件參數,i2t值為56.0A2s。由於該數值超過上述運算要求,因此該熔絲是此項電源供電的適當選擇。

兩種額外的考量可能適合於某些設計。在第一個示例中,可能有諸如UL 1414之類的規格要求,以保證電源底盤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串聯使用,確保需要的絕緣。

第二個考慮是在電源次級端輸出保護,減少作用在電源後續電路上的電應力。在已知電路易受瞬態電壓影響時則需要這樣做。在本例中,在電源的直流輸出線路上安裝了瞬態電壓抑制二極體(接腳安裝或表面安裝),這樣即可實現分級保護方案並使瞬態電壓的量級進一步降低。

作者:

James Colby

Littelfuse公司




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