挑战极限第1部分:电源输入电压

2018年9月25日 作者:Ron Stull

挑战极限第1部分:电源输入电压

欢迎阅读我们新系列的第一部分“挑战极限”。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?”为了帮助回答这个问题,我们将回顾常见的电源规格,并概述超出规定范围运行电源时可能出现的缺陷和故障。在本系列第1部分,我们将讨论输入电压超出电源允许范围时可能出现的问题。

输入电压范围

全球范围内提供的电源电压及其相关稳定性可能差异巨大,因此难以设计满足所有应用的输入范围需求的电源。假设电源的输入规格“足够接近”应用的预期工作电压,但是如果电源真要超范围运行,就可能导致故障。这些故障可以定义为组件故障、系统故障或规格故障,而且每种故障都会对电源和系统性能产生不同的影响。

超出输入电压范围将引发组件故障

如果组件损坏和/或不再正常运行,就说明组件故障了。只要施加的电压超过组件最大工作电压,就能轻松损坏任何组件。放置在输入端的许多组件——例如,X电容、金属氧化物变阻器(MOV)和桥式整流器——都很容易辨别是否承受了电压应力。输入电压超过最大工作电压时,这些组件的特定故障模式可能会导致几种不同的情况。例如,设计为通过故障短路保障安全的X电容可能会熔断熔丝,使电源无法工作。然而,如果设计为故障开路的Y电容发生了故障,那么电源可能会继续运行,而用户却不会察觉发生了故障。

典型的AC-DC输入电路原理图
典型AC-DC输入

熔丝等其他组件在发生过压时,更难辨别疑似故障。在正常情况下,熔丝会表现为短路,而电压升高只会迫使熔丝承载较少的电流。如果电源内部发生诸如X电容短路等故障,熔丝就会熔断并断开电路与输入电源的连接。但是,如果超过熔丝的最大电压且X电容短路,熔丝就无法抑制电弧放电。电路就无法保持开路,电流就会继续流过故障电容,从而导致上下游都出现问题。

在其他情况下,电压应力与值难以确定的寄生组件有关。以反激式转换器中的开关为例,它的峰值电压不仅取决于输入电压,还取决于漏电感和匝数比。在这种情况下,就不能通过简单地查看原理图或数据表来确定电压应力,而必须直接测量。

带有分立和寄生组件的典型反激式电路原理图
左:带有分立组件的典型反激式电路原理图 右:带有红色寄生组件的反激式电路原理图
反激式开关电压分布图
反激式开关电压分布

欠压事件也可能引发组件故障。电源运行电压低于最小工作电压时,许多组件中的电流就会按比例增加。熔丝、整流器、开关和其他带有更大电流的组件都会耗散更多功率,从而导致温度升高且可能发生故障。功率因数校正(PFC)扼流圈等磁性组件也将承载更多电流,因此可能发生电感下降或完全饱和。根据具体的拓扑结构,这种情况可能会导致峰值电流增加(可能会损坏开关等组件)、工作频率增加、效率降低或功率转换失败。

超出输入电压范围将引发系统故障

不符合工作频率或占空比范围等参数时,系统故障可能导致各种拓扑结构的内部功能出现异常。例如,LLC转换器通过改变工作频率来调节输出电压。它的频率与转换器的输入-输出增益成反比。然而,输入电压降低,频率也会降低,以便增加增益,保持恒定的输出电压。LLC转换器的固有特征是增益曲线仅在一定的频率范围之上保持频率-增益的这种反向关系。如果低于该频率范围,关系就会反转(即增益随频率增加)。如果输入电压降至电源漂移到该区域(称为电容区)的程度,则电源可能发生故障或完全失灵。

一些非隔离式转换器(包括PFC电路中使用的升压转换器)只会朝一个方向,即向上或向下转换。升压转换器仅输出高于输入电压的电压。如果在输入电压高于升压转换器电压输出的情况下使用具有功率因数校正功能的AC-DC电源,则升压转换器将无法工作且无法校正功率因数。同样,从高输入转换为低输出的降压转换器不能在低于输出电压的电压下运行。降压转换器还带有一个栅极不参照接地的开关,因而会使用自举电路产生栅极-源极电压,用于驱动FET。这种自举电路依靠开关操作产生栅极电压,所以在输入电压过于接近输出电压时,开关定时功能会阻止自举电路产生栅极驱动电压并且电路停止工作。

电源还带有内置保护电路,防止在某些条件下运行。这在更高的功率级中更为常见,因为届时故障更危险和/或损失代价更高。欠压保护是高功率AC-DC电源的常见功能。如果输入电压低于指定阈值,该功能就会关闭电源。

超出输入电压范围将引发规格不符

超出规格范围运行并不总会引发彻底故障,而是会导致电源性能不符合规格。如前所述,降低输入电压会导致输入电流变大,从而导致损耗和热量增加,同时降低工作温度范围和效率。

为了保护电源免受灾难性故障的影响,通常会在控制器中内置保护装置,避免发生某些情况。这些保护装置不会关闭电源,而是将特性参数钳制在某个值上。例如,在LLC拓扑结构中,控制器中通常设有频率限制。如前所述,输入电压降低,开关频率就会增加,从而保持恒定的输出电压。如果控制器在频率达到最小值后钳制频率,输出电压就会随输入电压一起下降。

虽然在某些情况下(例如上述情况)很容易估计对规格性能的影响,但在有些情况下则较难估计输入电压的影响。输入电压和电磁辐射(EMI)之间的关系就是其中一种情况。运行电压超出规定的输入电压范围,就会对EMI产生很大影响,并且违反相关法规。电压或电流应力增加还会改变EMI滤波器的有效性,并且将变频设备的工作点更改为可能引发故障的范围。

结论

输入电压会影响电源的许多方面,包括组件应力、工作点和性能。超出指定范围运行就可能影响上述一个或多个方面,如果超出过多,则会触发保护电路或导致完全失灵。要想了解电源在某个方向能够超限多少及其影响,就要了解内部组件的额定等级和值,而这些数据很少为用户所知且难以确定。确定电源在超出指定输入电压范围后继续安全运行的最佳方法是询问制造商,制造商可以辨别风险并/或执行必要的设计变更,使电源在预期范围内运行。

在“挑战极限”系列的第2部分,我们将研究与输出电流和最小电流规格相关的问题。

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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