人們在看現(xiàn)今的消費和工業(yè)應用設(shè)備時，很容易關(guān)注其功能，并理所當然地相信電源系統(tǒng)的可靠性。在諸如機頂盒、數(shù)字電視和DVD播放機之類的消費電子產(chǎn)品中，像高清晰度圖像和家庭影院質(zhì)量的音頻系統(tǒng)非常吸引消費者的關(guān)注，此類功能也提供了競爭優(yōu)勢。

然而，設(shè)計工程師必須要考慮的是，內(nèi)外部電氣對系統(tǒng)的威脅會危及到這些帶來競爭優(yōu)勢的功能。無論是附近的雷暴、接入電網(wǎng)的大型感性負載的開關(guān)，還是來自設(shè)備外部的瞬時浪涌電流所造成的威脅都會使該設(shè)備發(fā)生故障。此外，由于電容器之類的元件或FET已達到使用壽命導致的內(nèi)部故障電流，如果用戶不夠小心的話會造成安全危害。大約30%的現(xiàn)場故障是由電氣過應力(EOS)引起的。

設(shè)計工程師們可通過對電源提供電氣保護和保證長期安全運行的方法，協(xié)助為客戶提供有價值的服務。本文旨在向設(shè)計工程師提供如下幫助：識別對電源的電氣威脅(閃電和基于系統(tǒng)的浪涌電流和故障電流)；了解可用的電路保護解決方案；使用主要電路保護參數(shù)，選擇適合的器件。

圖1中簡要介紹了令人關(guān)切的電路以及典型的電氣威脅，這些威脅有可能在整個工作期間存在于電源中。源于電源系統(tǒng)的威脅包括瞬時電壓，諸如閃電和負載切換事件等。由電源電路引起的威脅包括短路事件和過載狀況(故障電流)。

在初級端電路上，解決瞬時浪涌電流的典型方法是金屬氧化物可變電阻(MOV)。這些器件會將輸入浪涌電流鉗位在一個電平上，該電平使電源元件能夠不受到影響并正常工作。選擇MOV的主要標準包括工作電壓、能量處理性能和峰值脈沖電流性能。

MOV的工作電壓是MOV能正常工作不會擊穿(變?yōu)閷щ姷?的電壓電平。該電壓通常是首先要決定的參數(shù)，而且很簡單。要指定工作電壓，設(shè)備的線電壓則要增加20%，以允許電源系統(tǒng)的電壓增長。這樣做的目的是保證MOV對系統(tǒng)中的瞬時事件做出反應，而不對臨時狀況做出反應。

舉例來說，假定線電壓為120VAC，那么應考慮的最低工作電壓參數(shù)為120VAC×1.20＝144VAC。由于MOV通常不會額定為144VAC，因此應選擇高于該值的工作電壓。所以，對于120VAC的線電壓而言，應選擇工作電壓為150VAC的MOV。

MOV峰值脈沖電流額定值是其能夠處理又不改變電氣特性的最大瞬態(tài)電流值。該參數(shù)被指定為一個已知波形值(通常為8×20us)并呈圖表形式，這樣工程師就可以根據(jù)峰值脈沖電流、脈沖寬度和脈沖數(shù)確定某個特定的MOV預期能承受多少個脈沖。這一點非常重要，因為MOV廠商通常會提供多個系列的MOV，而且峰值脈沖電流特性在選擇適合的MOV系列時是關(guān)鍵參數(shù)。下面我們通過一個實例來說明此概念。

在該實例中，假設(shè)指定浪涌電流為8×20us、3,000A。此外，已確定該應用將要經(jīng)受住40個這樣的瞬變事件。圖2所示的是Littelfuse C-III系列MOV 14mm片狀可變電阻器的脈沖額定曲線，可用以確定其適用性。

圖1：對電源產(chǎn)生安全威脅的因素

圖2：14mm片狀可變電阻沖擊試驗額定曲線

要閱讀該圖，先要沿著x軸找到脈沖時間(20us)，然后向著正的y軸方向繼續(xù)，直到峰值浪涌電流(3,000A)相交為止。該點然后將位于兩條為預期脈沖性能提供邊界的曲線之間。在本實例中，該點位于101和102脈沖曲線之間。換言之，14mm的C-III MOV預期能承受10和100個20us持續(xù)時間和3,000A峰電流的脈沖。根據(jù)產(chǎn)品手冊，指定值為40脈沖。

對UltraMOV和LA系列可做同樣的分析，數(shù)值分別為2~10和1~2脈沖。因此，C-III系列MOV最適合這套特定的標準。其它可考慮的參數(shù)是盤形直徑、能量性能和引腳間隔。有了這樣的信息，工程師即可確定到底哪個MOV最適合正在設(shè)計的電源需求。

對于初級電路的安全，如果發(fā)生故障電流的情況，用熔絲將流入電源的電流和電源斷開。在電路中，熔絲被故意設(shè)計成薄弱環(huán)節(jié)，并在燒焦或冒煙前就將故障電流切斷。

所選擇的熔絲應該是：在足夠低的電平熔斷以保護電路，但該電平又要夠高，以至于在正常啟動期間不會熔斷。這就是在另一方面所謂的“討厭的跳閘”。特別要關(guān)注的是浪涌電流。當應用電路被打開，非線性元件(電容器和電感器)開始充電時，就會產(chǎn)生這些電流。這些“脈沖”會比正常工作電流的量大許多倍，但通常又很短命(幾十到幾百微妙)。

選擇熔絲的第一步是確定電路的正常工作電流，以及熔絲所在電路區(qū)域環(huán)境溫度。最后，鑒定合格達到UL標準的熔絲還必須將其等級向下再下調(diào)25%，方可將其安裝到電路上。然后可使用下列方程式：


例如，如果一個電源引入5A的電流，預期溫度會達到80℃，那么最小熔絲等級應為：


因為正好有7.02A等級的熔絲，所以使用了僅次于最近等級(比適合的電流強度等級大)的熔絲。在本例中，選定的熔絲等級應為8A。

在選定了電流強度等級后，下一步就要保證熔絲在電源的預期壽命里不會經(jīng)歷令人討厭的跳閘。要做到這一點，就有必要捕捉到在電源上電時產(chǎn)生的浪涌電流活動的蹤跡，并計算出該浪涌電流的能量(也稱為I2t值)。這通常會是歷時短暫的雙指數(shù)曲線。人們感興趣的數(shù)據(jù)是峰電流和浪涌電流的持續(xù)時間。也有必要對電源在其工作壽命中預期要經(jīng)歷的上電周期數(shù)進行估計。

具備該項數(shù)據(jù)后，即可通過將浪涌電流的波形與熔絲廠商提供的數(shù)據(jù)表或參考材料相比較的方法選擇適合的方程式。在本例中，假定浪涌電流確實顯示出雙指數(shù)波形。這樣，即可使用下列方程式：


例如，如果浪涌電流脈沖的值為500A，該脈沖的持續(xù)時間為120us，且上電周期的預期數(shù)為10,000，那么該熔絲的最低I2t值為：


現(xiàn)在可將所有信息放到一起。經(jīng)計算，需要8A等級的熔絲，而且融化I2t值至少需要51.72A2s。電源供電通常使用玻璃盒裝熔絲，Littelfuse的2AG(224/225)系列乃是具有空間效益的選擇。細看與8A等級對應的器件參數(shù)，I2t值為56A2s。由于該數(shù)值超過上述計算要求，因此該熔絲乃是此項電源供電的適當選擇。

有兩個額外的考慮，可能適合于某些設(shè)計。在第一個示例中，可能有諸如UL 1414之類的規(guī)范要求，以保證電源底盤與交流輸入的供電絕緣。在本例中，可用高電壓氣體放電管(GDT)與MOV串聯(lián)使用，確保需要的絕緣。

第二個考慮是在電源次級端輸出保護，減少作用在電源后續(xù)電路上的電應力。在已知電路易受瞬態(tài)電壓影響時則需要這樣做。在本例中，在電源的直流輸出線路上安裝了瞬態(tài)電壓抑制二極管(引腳安裝或表面安裝)，這樣即可實現(xiàn)分級保護方案并使瞬態(tài)電壓的量級進一步降低。

作者：

James Colby

行銷工程師

Littelfuse公司