超出电源工作温度范围的后果

2019年1月29日 作者:Ron Stull

超出电源工作温度范围的后果

欢迎观看我们的“挑战极限”第3部分,本系列将深入研究我们在CUI经常听到的一个问题:“如果超出某个规格范围使用电源会怎样?”在第1部分,我们介绍了输入电压规格,而在第2部分,我们讨论了输出电流范围。现在,我们将在第3部分探讨电源的工作温度以及超出指定范围时可能发生的问题。

阅读我们“极限挑战”系列中的第1部分了解有关输入电压的内容
阅读“挑战极限”系列第2部分关于输出电流的内容

工作温度范围

即使利用当今技术也并不总是能预测天气,而对于处在不受控环境中的电气系统而言,在温度超出指定的工作范围之后,如果不能作出预测就可能引发问题。一旦超过温度上下限,就可能导致电源出现多种问题,包括性能降低、缩短预期寿命和整体故障。

超过工作温度范围就会导致性能问题

如果电源继续运行,但其性能超出规格范围,就会发生性能问题。大多数组件的电气特性都会受其运行所处环境的散热条件影响,所以要定义散热范围,确保组件在保证性能的可接受范围内运行。超出此范围就不能保证组件的行为,而且效率、纹波、稳压、甚至EMI等性能规格的下降都会带来问题。

电源组件可以分为两类:具有正温度系数(PTC)的组件和具有负温度系数(NTC)的组件。对于具有PTC的组件来说,温度系数值降低会导致组件变化方向与温度相同,而对于具有NTC的组件来说,会导致组件变化方向与温度相反。

动力传动系统中作为PTC设备的组件,例如,有效导通电阻会随着温度而增加的MOSFET(见下图),功率损失将会随着温度的上升而增加。

图示MOSFET的导通电阻在不同温度下的变化曲线
MOSFET的导通电阻在不同温度下的变化曲线

NTC设备,例如,正向电压随温度增加而下降的桥式整流器二极管(见下图),其功率损失则会下降。随着加载和散热条件的变化,NTC或PTC设备都可能成为主导设备,从而导致整个电源的效率有时呈现正向变化,有时呈现负向变化。

图示为不同温度下的正向电压曲线
不同温度下的正向电压曲线

其他不太导电的组件不会促成功率消耗的变化,但它们的值通常会被用于感应电源的各个方面。业内常见的做法是用两个电阻组成一个简易分压器来设置电源的输出电压,因而这些电阻值的变化将会导致输出电压随之发生变化。其他感应组件可能会导致内置保护功能出现问题。通常利用电阻感应动力传动系统中的电流,并在发生过流时利用该电阻中通过的电压切断供电。该电阻值的变化可能会导致过早或过晚触发保护装置。

低于最低温度运行和高于最高温度运行一样,也会产生许多相同的问题。低温时的一个问题是电容器中的电容值下降(见下图)。影响设备运行的关键通常是几个大型电解电容器,例如在整流器之后推升电压的电容或在电源输出端使用的电容。如果它们的电容值下降,就会导致纹波增加,甚至导致无法启动。

图示铝电解电容器的电容和温度关系曲线
铝电解电容器的电容与温度关系

NTC设备,例如用于限制浪涌的热敏电阻,其值将会增大。如果温度下降过多,它们的值就会增加到开始降低能效或者妨碍运行。

除了较为明显、容易检测到的性能问题以外,还会发生诸如电磁辐射(EMI)增加等隐藏问题,需要过一段时间才会被发现。EMI滤波器的性能将会受到滤波器组件温度的影响。滤波器如果超出设计范围工作,将不能有效缓解辐射排放量,从而导致系统不符合EMI法规要求。

超过工作温度范围会影响可靠性

许多组件的可靠性和预期寿命都和它们的工作温度直接相关。电源的输出电容器等组件的预期使用寿命可能因为工作温度高于额定温度而骤然缩短。如果温升导致纹波电流升高,就能预见因等效串联电阻(ESR)中的功率耗散而导致输出电容器温度升高。Illinois Capacitor Inc.指出温度高于室温10°C就会将铝电解电容器的使用寿命缩短一半。

输出电容以及许多其他组件由于电源工作温度升高而导致预期寿命缩短,从而必然导致整个电源的预期寿命缩短。另一方面,在较低温度下工作会导致焊接接头、陶瓷电容器、SMD导线和塑料部件发生开裂等物理磨损,从而降低可靠性。

超过工作温度范围会引起组件故障

根据不同设计,电源在超出热量限制范围运行时,会通过关闭或让组件承担故障风险的方式保护自己。

一些电源附带有过热保护功能。在这些情况下,电源将会关闭,直到温度回归指定范围,这通常有一些滞后。在其他不具有整个系统过热保护的电源中,可能有些组件自带内部保护装置。在这种情况下,部分电路可能会关闭,而其余部分则继续运行,从而导致潜在的问题和故障。

高于温度范围运行时,如果电源没有内置保护装置,那么动力传动系统中的PTC设备就会面临故障风险。这些设备通常会设计一定的裕量,不过这种裕量取决于输入电压等工作条件,并且在工作范围的不同区间可能收窄。

结论

工作温度影响电源内部的所有组件。电源超出热量范围运行可能导致组件行为与预期不同,造成预期寿命缩短,甚至导致彻底故障。在超出指定温度范围运行之前,应咨询制造商,确定这样操作对于具体电源有何影响。

有用资源

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Ron Stull

Ron Stull

电源系统工程师

Ron Stull自2009年加入CUI以来,在模拟和数字电源以及ac-dc和dc-dc功率转换方面积累了丰富的知识和经验。他在CUI的工程团队中发挥重要作用,其职责包括应用支持、测试和验证以及设计。在从事电力工程工作之余,Ron会与他的妻子一起弹吉他、跑步和参加户外旅行,他们的目标是游遍所有美国国家公园。

 
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