电源电路的安全与可靠性设计.doc

电源电路的安全与可靠性设计 人们在看现今的消费和工业应用设备时，很容易关注其功能，并理所当然地相信电源系统的可靠性。在诸如机顶盒、数字电视和DVD播放机之类的消费电子产品中，像高清晰度图像和家庭影院质量的音频系统非常吸引消费者的关注，此类功能也提供了竞争优势。 bFn安规与电磁兼容网 然而，设计工程师必须要考虑的是，内外部电气对系统的威胁会危及到这些带来竞争优势的功能。无论是附近的雷暴、接入电网的大型感性负载的开关，还是来自设备外部的瞬时浪涌电流所造成的威胁都会使该设备发生故障。此外，由于电容器之类的元件或FET已达到使用寿命导致的内部故障电流，如果用户不够小心的话会造成安全危害。大约30%的现场故障是由电气过应力(EOS)引起的。bFn安规与电磁兼容网 ?bFn安规与电磁兼容网 bFn安规与电磁兼容网 设计工程师们可通过对电源提供电气保护和保证长期安全运行的方法，协助为客户提供有价值的服务。本文旨在向设计工程师提供如下帮助：识别对电源的电气威胁(闪电和基于系统的浪涌电流和故障电流)；了解可用的电路保护解决方案；使用主要电路保护参数，选择适合的器件。 bFn安规与电磁兼容网 bFn安规与电磁兼容网 图1中简要介绍了令人关切的电路以及典型的电气威胁，这些威胁有可能在整个工作期间存在于电源中。源于电源系统的威胁包括瞬时电压，诸如闪电和负载切换事件等。由电源电路引起的威胁包括短路事件和过载状况(故障电流)。 bFn安规与电磁兼容网 bFn安规与电磁兼容网 在初级端电路上，解决瞬时浪涌电流的典型方法是金属氧化物可变电阻(MOV)。这些器件会将输入浪涌电流钳位在一个电平上，该电平使电源元件能够不受到影响并正常工作。选择MOV的主要标准包括工作电压、能量处理性能和峰值脉冲电流性能。 bFn安规与电磁兼容网 bFn安规与电磁兼容网 MOV的工作电压是MOV能正常工作不会击穿(变为导电的)的电压电平。该电压通常是首先要决定的参数，而且很简单。要指定工作电压，设备的线电压则要增加20%，以允许电源系统的电压增长。这样做的目的是保证MOV对系统中的瞬时事件做出反应，而不对临时状况做出反应。 bFn安规与电磁兼容网 bFn安规与电磁兼容网 举例来说，假定线电压为120VAC，那么应考虑的最低工作电压参数为120VAC×1.20＝144VAC。由于MOV通常不会额定为144VAC，因此应选择高于该值的工作电压。所以，对于120VAC的线电压而言，应选择工作电压为150VAC的MOV。 bFn安规与电磁兼容网 bFn安规与电磁兼容网 MOV峰值脉冲电流额定值是其能够处理又不改变电气特性的最大瞬态电流值。该参数被指定为一个已知波形值(通常为8×20us)并呈图表形式，这样工程师就可以根据峰值脉冲电流、脉冲宽度和脉冲数确定某个特定的MOV预期能承受多少个脉冲。这一点非常重要，因为MOV厂商通常会提供多个系列的MOV，而且峰值脉冲电流特性在选择适合的MOV系列时是关键参数。下面我们通过一个实例来说明此概念。 bFn安规与电磁兼容网 bFn安规与电磁兼容网 在该实例中，假设指定浪涌电流为8×20us、3,000A。此外，已确定该应用将要经受住40个这样的瞬变事件。图2所示的是Littelfuse C-III系列MOV 14mm片状可变电阻器的脉冲额定曲线，可用以确定其适用性。 bFn安规与电磁兼容网 bFn安规与电磁兼容网 bFn安规与电磁兼容网 bFn安规与电磁兼容网图1：对电源产生安全威胁的因素bFn安规与电磁兼容网 ?bFn安规与电磁兼容网图2：14mm片状可变电阻冲击试验额定曲线 bFn安规与电磁兼容网 bFn安规与电磁兼容网 要阅读该图，先要沿着x轴找到脉冲时间(20us)，然后向着正的y轴方向继续，直到峰值浪涌电流(3,000A)相交为止。该点然后将位于两条为预期脉冲性能提供边界的曲线之间。在本实例中，该点位于101和102脉冲曲线之间。换言之，14mm的C-III MOV预期能承受10和100个20us持续时间和3,000A峰电流的脉冲。根据产品手册，指定值为40脉冲。 bFn安规与电磁兼容网 bFn安规与电磁兼容网 对UltraMOV和LA系列可做同样的分析，数值分别为2~10和1~2脉冲。因此，C-III系列MOV最适合这套特定的标准。其它可考虑的参数是盘形直径、能量性能和引脚间隔。有了这样的信息，工程师即可确定到底哪个MOV最适合正在设计的电源需求。 bFn安规与电磁兼容网 bFn安规与电磁兼容网 对于初级电路的安全，如果发生故障电流的情况，用熔丝将流入电源的电流和电源断开。在电路中，熔丝被故意设计成薄弱环节，并在烧焦或冒烟前就将故障电流切断。 bFn安规与电磁兼容网 bFn安规与电磁兼容网 所选择的熔丝应该是：在足够低