开关电源前端EMC 电路器件选型与浪涌抗扰度关系研究

冯勇雄 彭文彦 王小龙

（珠海格力电器股份有限公司,广东 珠海 519000）

1 概述

目前大多数家电产品使用中小功率开关电源为主板上其他电路供电,保证开关电源能通过各项EMC 试验,一般的开关电源前端都有一个EMC 电路,电路架构如图1 所示。

图1 开关电源EMC 电路架构及关键器件

电路的电磁兼容性研究及标准就目前来说相对比较成熟,只要EMC 电路的电磁兼容性符合标准,该部分电路的器件的规格选型符合正常逻辑即为合理设计,但对浪涌抑制电路的保护器件相互之间的匹配没有做出更深层的考虑和研究。结合猜想和相关实验验证后发现,浪涌抑制电路中关键器件的匹配在一定程度上会影响开关电源的可靠性,因此本次研究和实验对开关电源浪涌抑制电路的器件选型进行一定的完善及优化,对开关电源的设计、失效分析都提供新的思考方向。

电路中浪涌抗扰度的关键器件及作用如下：

保险管——过流保护,当后端电路异常出现大电流时保险管熔断；

压敏电阻——过压防雷保护,当零火线之间电压超过其压敏电压时导通并吸收浪涌；

整流桥——将前端输入交流电转换成直流电；

高压电解电容——平滑滤波,将正弦半波电压平滑成稳定的直流电压；

开关电源芯片——开关电源核心,内含开关电源逻辑控制电路与功率MOSFET 管。

统计显示开关电源在实际使用中,上述电路中的压敏电阻、保险管、整流桥、电解电容是损坏的最多的器件,而失效分析发现主要是因为交流220V 电网中出现的较高的浪涌电压而将这些器件击穿。除了器件本身的参数对其抗浪涌冲击有影响外,不同型号的压敏电阻、高压电解电容器相互匹配对抗浪涌冲击能力也有非常大的影响。

在开关电源进行差模浪涌试验中通过对开关电源前端浪涌抑制电路的压敏电阻、高压电解电容做不同参数的匹配组合,监测采集浪涌试验时浪涌抑制电路关键节点的电压、电流波形,最后对数据进行整理分析,得出各种器件的选型原则和基本参数,以及压敏电阻和高压电解电容的最优匹配组合,从而提高开关电源的浪涌抗扰能力。

2 试验方法

试验标准：GB/T 17626.5-2019 浪涌抗扰度；

试验设备：CWS600；

浪涌波形：差模浪涌1.5/50μs 浪涌脉冲电压,相位90°；

监测采集节点：

通过保险管的浪涌电流I1——串联10mΩ 电阻采样浪涌电压再换算成电流。

高压电解电容两端电压U1——示波器直接采样电解电容两端峰值电压。

器件选型组合:

压敏电阻——取常用的压敏电压470V、560V、620V 三种型号。

高压电解电容——取常用的10μF、22μF、47μF、68μF、100μF 五种容量。

浪涌试验电压——按标准进行1kV、2kV、3kV、4kV、5kV 共五个级别差模浪涌试验。

按照上述3 种压敏电阻、5 种高压电解电容,共有15 种组合需进行75 次试验。

3 试验结果

3.1 浪涌电压测试

按照上述试验方法中不同压敏电阻、电解电容的组合,在不同的浪涌电压条件下试验得到的电解电容两端峰值浪涌电压如表1 (单位：V)。

表1 不同压敏电阻、电容量、浪涌电压下的电解电容两端的浪涌电压峰值

3.2 浪涌电流测试

按照上述试验方法中不同压敏电阻、电解电容的组合,在不同的浪涌电压条件下试验得到通过保险管的浪涌电流峰值(使用10mΩ 电阻采样电压并计算,表2,电流单位：A)。

表2 不同压敏电阻、电解电容、浪涌电压下通过保险管的浪涌电流

4 数据分析

4.1 压敏电阻和电解电容匹配组合

从表1 数据分析：

小电容量10μF、4kV 浪涌情况下,采用470V、620V压敏电阻时电容的峰值电压相差90V；

大电容量100μF、4kV 浪涌情况下,采用470V、620V压敏电阻时电容的峰值电压仅相差18V。

可见在电解电容容量较小时,选择压敏电压低一点的压敏电阻,吸收浪涌效果更好；电解电容容量逐渐增大后存储能量、吸收浪涌能力提高,不同压敏电阻对浪涌瞬间电容峰值电压影响差异降低。故压敏电阻和电解电容的匹配组合应为：

图3 不同压敏电阻、电解电容、浪涌电压下的电解电容两端峰值浪涌电压关系曲线

电解电容容量较小时应当匹配压敏电压较低的压敏电阻,可有效降低电容上的浪涌峰值电压防止被击穿,但通过压敏电阻的浪涌电流却相对变大了,所以此时又该选用体积及能量耐量大的压敏电阻[1],如能选φ14 则不要使用φ10 的压敏电阻。

电解电容容量较大时可匹配压敏电压较高的压敏电阻以降低冲击电流,两者可达到互相平衡。

4.2 电解电容的额定电压选型

浪涌冲击瞬间电解电容的电压波形如图2 所示,电压峰值瞬间上升得非常高后逐步下降。电解电容优选450V 而不是400V,从表1 可看出当电容量10μF 差模浪涌2kV 时,电容上的峰值电压就已超过400V。电解电容的额定电压越低,当电源中出现浪涌时被击穿的概率越高,使用寿命越短。

图2 电解电容瞬间的浪涌电压波形(压敏电阻470V,电解电容22μF,浪涌电压4kV)

4.3 电解电容的电容量选型

电解电容的容量首先由开关电源的功率决定,电容量增加时能够容纳的能量越大,分析表1 可看出：在相同的浪涌电压和压敏电阻匹配情况下,电容量越大浪涌瞬间电解电容两端的浪涌脉冲电压越低,在4kV 浪涌时,10μF、100μF 电容峰值电压相差在130V 以上,故优选容量较大的电解电容,如可选47μF 则不选择22μF,而且增加电容量能够降低纹波电流大小,对提高电解电容的寿命帮助非常大。

4.4 开关电源芯片选型

开关电源芯片优选有高压保护的型号：原因是当电网中出现浪涌电压导致母线电压过高时,有高压保护的电源芯片其控制逻辑能立即停止电源芯片内的MOSFET的开关动作,可避免反射电压与母线电压叠加在一起超过了MOSFET 的极限耐压而被击穿[4]。

笔者曾跟踪分析过Power 的开关电源芯片TNY278（无高压保护）和TOP264（有高压保护）：两款芯片的使用数量均达到500 万以上,但前者的售后不良率是后者8倍以上,并且TNY278 芯片的不良品分析基本上全是内部MOSFET 击穿并烧损；可见开关电源芯片具有高压保护功能可极大提高其可靠性。

4.5 保险管选型

保险管的额定电流一般由电源功率和工作电流决定,但保险管的抗电流冲击能力(热熔断值I2T)绝不可忽视[3]。当开关电源前端出现浪涌电压时,压敏电阻导通后会出现峰值非常大的脉冲浪涌电流,该电流有可能将保险管熔断而导致系统故障,从图4 测试到的波形分析发现该浪涌试验电流近似25μs 的正弦半波。

图4 通过保险管的浪涌脉冲电流波形（使用10mΩ 电阻采样电压得到）

如表2 测试到通过保险管的浪涌电流数据,整理分析如图5 所示,通过保险管的浪涌电流主要受浪涌电压大小；不同型号的压敏电阻轻微影响浪涌电流大小,匹配动作电压较低的压敏电阻时浪涌电流略大,反之略小；而电解电容的容量大小几乎影响不到通过保险管的浪涌电流。若开关电源的电解电容为47μF,需要通过4kV 差模浪涌电压试验,则在470V 压敏电阻情况下保险管的I2T 不应低于0.5*23092*25*10-6*=66.6；在620V压敏电阻情况下保险管的 I2T 不应低于0.5*21582*25*10-6=58.2。考虑到保险管本身有一定的制造及测试误差需留有余量,满足4kV 差模浪涌时保险管的热熔断值I2T 最好不小于80,方能达到令人满意的售后不良率。

图5 不同压敏电阻、电解电容、浪涌电压下通过保险管的浪涌电流关系曲线

笔者统计过某一家电产品上使用的3.15A 熔断器意外熔断情况（电路板上无其他元器件异常仅更换3.15A保险管又能正常工作的情况）,原3.15A 保险管的I2T 在50-60 之间,售后不良率大概在30ppm 左右；将该保险管的I2T 提升到80 以上,随后保险管的意外熔断情况大幅降低,质量提升非常明显。

4.6 整流桥选型

开关电源中的整流桥的耐压一般有400V、600V、800V、1000V 等多种级别。从表1 数据分析,电解电容容量10μF、560V 压敏电阻、4kV 浪涌情况下电解电容的峰值已经超过了600V,选择400V 耐压的整流桥肯定不合适,600V 耐压级别的整流桥也偏下限,优选耐压800V以上的整流桥,抗电压浪涌冲击能力较好。

5 结论

浪涌抑制电路是开关电源可靠性的一大重要因素,作者对开关电源浪涌抑制电路中关键器件的选型进行研究,针对压敏电阻和电解电容的不同组合匹配情况下做了不同电压的浪涌电压试验,对上述试验数据及数据整理分析,得出以下几点结论：

5.1 在同一型号压敏电阻、同一浪涌电压水平的情况下：电解电容的电容量越大,浪涌瞬间电解电容两端的电压峰值越小；可以理解为电容量越大,容纳的电荷（能量）越大,所以电解电容上的峰值电压越小。

5.2 在同一型号电解电容,同一浪涌电压水平的情况下：压敏电阻的压敏电压越小,浪涌瞬间电解电容两端的电压越小；可以理解为压敏电压低的压敏电阻其吸收浪涌电压能力强,吸收了更多的能量,对后端电路的保护更好。

5.3 通过保险管的浪涌电流只与压敏电阻型号、浪涌电压大小有关系。

相关的开关电源开发者可直接从上述表1、表2 中获取数据做分析；其次可根据作者相关的电子元器件统计分析数据和经验,对自己开发的产品做参考,从而提升开关电源及所在电子产品、家电产品的可靠性。