人們在看現(xiàn)今的消費和工業(yè)應用設備時，很容易關注其功能，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量的音頻系統(tǒng)非常吸引消費者的關注，此類功能也提供了競爭優(yōu)勢。

然而，設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，還是來自設備外部的瞬時浪涌電流所造成的威脅都會使該設備發(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