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來(lái)源：Digi-Key 作者：Mornsun 輸入過(guò)壓是由電網(wǎng)負載的巨大波動(dòng)引起的。例如，在用電高峰期，電壓通常較低，而在設備關(guān)閉時(shí)，電壓則較高。 電網(wǎng)電壓幅值的實(shí)際變化范圍隨著(zhù)電網(wǎng)容量、輸配電設備質(zhì)量、用電量以及其他因素的變化而變化很大。在擁有完善電源系統的城市和工業(yè)區里，變化范圍通常只有 ±15% 左右（最大值不超過(guò) 264 VAC）。如果確實(shí)超過(guò) 264 VAC，電源可能會(huì )損壞，甚至導致設備跳閘和/或引發(fā)火災，對安全和財產(chǎn)造成威脅。 但是，在供電條件差的國家和地區，或者電網(wǎng)中存在負載變化大的設備的場(chǎng)合，如山區、高速公路隧道、充電站、發(fā)電機供電等，變化范圍就大得多。有時(shí)變化范圍可以達到 20%~30%（最大值可以達到 274~299 VAC）。 
圖 1：惡劣工作環(huán)境下的電壓波形。（圖片來(lái)源：Mornsun Power） 輸入過(guò)壓下電源元器件的電壓應力分析 以圖 2 中的反激式開(kāi)關(guān)模式電源為例，分析當輸入電壓達到 305 VAC 時(shí)，如何根據電壓應力選擇合適的元器件。
圖 2：反激式開(kāi)關(guān)模式電源。（圖片來(lái)源：Mornsun Power） 1.保險絲 F1 的標稱(chēng)電壓選擇 保險絲的標稱(chēng)電壓必須大于或等于關(guān)斷電路的最大電壓。由于保險絲的電阻非常低，只有在試圖中斷電流時(shí)，其標稱(chēng)電壓才變得重要。當保險絲元件熔斷時(shí)，保險絲必須能夠迅速斷開(kāi)，熄滅電弧，并防止開(kāi)路電壓通過(guò)斷開(kāi)的保險絲元件再次引發(fā)電弧。 保險絲的常用規格為 125 V、250 V、300 V 和 400 V。為了應對輸入電壓的大幅波動(dòng)，應選擇 300 V 的保險絲。 2.壓敏電阻 RV1 的標稱(chēng)電壓選擇 在實(shí)際應用中，壓敏電阻 RV1 在電路中一般是并聯(lián)連接。當電路正常工作時(shí)，壓敏電阻處于高阻狀態(tài)，這不會(huì )影響電路的正常工作。當電路出現異常瞬時(shí)過(guò)壓并達到其導通電壓（壓敏電阻電壓）時(shí)，壓敏電阻迅速從高阻狀態(tài)變?yōu)榈妥锠顟B(tài)，將異常瞬時(shí)過(guò)壓引起的瞬時(shí)過(guò)流排放掉，并將異常瞬時(shí)過(guò)壓鉗制在安全水平內，從而保護后續電路避免因異常瞬時(shí)過(guò)壓而受損。 壓敏電阻的常見(jiàn)規格如下：
表 1：S10K300 和 S10K350 的壓敏電阻電壓規格。（圖片來(lái)源：Mornsun Power） 壓敏電阻的電壓值應大于實(shí)際電路中的電壓峰值，即連續施加于壓敏電阻兩端的電源電壓應小于壓敏電阻規格中的“最大連續工作電壓值（交流和直流）”。如表 1 所示，300 VAC (385 VDC) 顯然不能滿(mǎn)足 305 VAC 的長(cháng)期運行。為了防止壓敏電阻損壞，在輸入電壓波動(dòng)較大的情況下，就有必要選擇 10D561 壓敏電阻。 3.X 電容器 CX1 的標稱(chēng)電壓選擇 X2 安規電容器的標稱(chēng)電壓一般為 275 V、305 V 或 310 V，這些電壓實(shí)際上是通用的。由于不同國家/地區的標稱(chēng)電壓要求不同以及安全法規不同，X2 的標簽并不一定準確。例如，中國 CQC 認證所要求的標稱(chēng)電壓是 310 VAC，而其他國家/地區則是 275 V、305 VAC 和 310 VAC。在輸入電壓波動(dòng)較大的情況下，最好使用 310 V 的 X 電容器。 4.橋式整流器 BD1 的標稱(chēng)電壓選擇 當 VIN = 264 VAC 時(shí)，橋式整流二極管的最大應力應該是：Vmax1 = 264 × √2 = 373 V。 當 VIN = 305 VAC 時(shí)，橋式整流二極管的最大應力應該是：Vmax2 = 305 × √2 = 431 V。 由于開(kāi)關(guān)電源需要做雷擊電涌測試，因此一般會(huì )選擇標稱(chēng)電壓大于 600 V 的橋式整流器。為了滿(mǎn)足更惡劣的電涌環(huán)境，也可以選擇 1000 V 的橋式整流器。 5.電解電容器 C1 的標稱(chēng)電壓選擇 當 VIN = 264 VAC 時(shí)，該電解電容器的最大應力應該是：Vcmax1 = 264 × √2 = 373 V。 當 VIN = 305 VAC 時(shí)，該電解電容器的最大應力應該是：Vcmax2 = 305 × √2 = 431 V。 在輸入電壓波動(dòng)較大的情況下，應選擇 450 V 的電解電容器。 6.MOS 晶體管 Q1 的標稱(chēng)電壓選擇 MOS 晶體管的電壓應力 (Vmos) 等于：
VIN 指的是輸入電壓，最大輸入電壓為 431 V。 VOR 是反射電壓，一般為 60-120 V，與初級和次級的匝數比呈正相關(guān)性。通過(guò)優(yōu)化設計，這可以假設為 80 V 或更低。 VPK 是由電感產(chǎn)生的峰值電壓，一般在 100 V 左右；通過(guò)優(yōu)化漏電感和吸收率參數，可以取為 80 V 或更低。 因此，MOS 晶體管 Q1 的工作電壓壓力應該是：431 + 120 + 100 = 651 V。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，Q1 的工作電壓應力可以是：431 + 80 + 80 = 591 V。因此，考慮到 305 VAC 輸入的電涌，為了保證 MOS 晶體管可靠工作，至少應選擇 700 V 的 MOS 晶體管，但在優(yōu)化變壓器的匝數比和漏電感后，也可以選擇 650 V 的 MOS 晶體管。 7.二極管 D1 的標稱(chēng)電壓選擇 二極管電壓應力的計算公式為：
VD-PK 指的是由次級漏電感產(chǎn)生的峰值電壓。由于它受不同的輸出電壓和吸收率參數的影響很大，因此計算方法一般為：
假設輸出電壓為 12 V (VO = 12 V)，二極管的漏感峰值為 30 V (VD-PK = 30 V)，MOS 晶體管的漏電感峰值為 80 V (VPK = 80 V)，計算如下：
表 2：匝數比、MOS 晶體管和二極管之間的電壓應力關(guān)系。（圖片來(lái)源：Mornsun Power） 從表 2 可以看出，傳統的開(kāi)關(guān)模式電源只考慮 373 V 的輸入電壓 (VIN = 373 V)，而 MOS 晶體管和二極管的數值會(huì )相對較小，因而無(wú)法用于 431 V 的輸入電壓。一旦輸入電壓超過(guò) 373 V，就會(huì )有損壞的風(fēng)險。 綜上所述，以輸出電壓 12 V 為例，在電涌或輸入 305 VAC 的情況下，為了保證二極管可靠工作，至少應選擇 150 V 的二極管。然而，通過(guò)優(yōu)化變壓器的匝數比和漏電感，也可以選擇 100 V 的二極管。 輸入過(guò)壓的防護要求 根據上述計算，輸入過(guò)壓的最佳處理方法是優(yōu)化元器件的電壓應力，如元器件選擇 Mornsun 的 305RAC（所有條件下都可靠）電源。
表 3：Mornsun 的 305RAC 和主流電源在若干不同標稱(chēng)電壓下的比較。（圖片來(lái)源：Mornsun Power） 同時(shí)，可以通過(guò)增加內部電氣間隙和爬電距離來(lái)保持高壓線(xiàn)之間的安全距離，避免電弧對原型造成損壞或給人員帶來(lái)危險。
圖 3：反激式原理圖顯示為避免產(chǎn)生電弧的電路走線(xiàn)安全距離（見(jiàn)表 4）。（圖片來(lái)源：Mornsun Power）
表 4：針對圖 3 中的電路對主流電源和 305RAC 電源的電氣間隙/爬電距離之比較。（圖片來(lái)源：Mornsun Power） 總結 輸入過(guò)壓會(huì )損壞電源并對人員造成傷害。如何避免輸入過(guò)壓？通過(guò)對電源元器件進(jìn)行電壓應力分析，確定了開(kāi)關(guān)模式電源的關(guān)鍵元器件選型指南。同時(shí)，增加電源的內部電氣間隙和爬電距離，也有利于優(yōu)化電壓應力。 通過(guò)比較主流電源和 Mornsun "305 RAC" 電源之間元器件的標稱(chēng)電壓、電氣間隙和爬電距離，305 RAC 交流/直流電源的功能可以有效地防護輸入過(guò)壓。此外，該電源還適用于對溫度、濕度、海拔、EMC 干擾等環(huán)境工作要求較高的惡劣和特殊環(huán)境。 |
