陜西開(kāi)關(guān)電源輸出端反充電壓的產(chǎn)生與保護(hù)

一、輸出過(guò)壓保護(hù)功能及反向電壓差異點(diǎn)說(shuō)明

　　為了提高開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品的可靠性，開(kāi)關(guān)電源會(huì)設(shè)計(jì)輸出過(guò)壓保護(hù)功能，防止產(chǎn)品內(nèi)部某個(gè)元器件損壞后輸出電壓上升。電源后端的負(fù)載只能承受一定的電壓，一旦輸出電壓升高，就會(huì)損壞電源后端的負(fù)載。為了防止這個(gè)問(wèn)題，開(kāi)關(guān)電源將設(shè)計(jì)一個(gè)輸出過(guò)壓保護(hù)電路，以提高系統(tǒng)的可靠性。

　　開(kāi)關(guān)電源輸出電壓過(guò)壓保護(hù)功能的原理如下：

　　根據(jù)上面圖1的原理圖，輸出電壓Vo的計(jì)算公式如下：電阻R1和R2為已知參數(shù)，Vref=2.5V

　　V0=[R1/R2 1] x Vref

　　在電路中，一旦下拉電阻R2短路，根據(jù)計(jì)算公式，Vo電壓將變?yōu)闊o(wú)窮大。一旦輸出電壓上升到一定值，電源的負(fù)載就會(huì)損壞，系統(tǒng)就會(huì)燒壞。為了防止這一問(wèn)題，電路中增加了一個(gè)輸出過(guò)壓保護(hù)電路。圖2是輸出過(guò)壓保護(hù)電路的原理圖之一。其工作原理如下：下拉電阻R2一旦短路，輸出電壓就會(huì)向上升高。一旦輸出電壓上升到齊納二極管ZD1的擊穿電壓，齊納二極管將工作以將輸出電壓箝位在齊納二極管的擊穿電壓值，以防止輸出電壓上升到無(wú)窮大。此時(shí)，輸出電壓值將被齊納二極管箝位在擊穿電壓值，不再上升。一般來(lái)說(shuō)，穩(wěn)壓二極管ZD1的規(guī)格參數(shù)值比輸出電壓值高2-3V。

　　圖2所示過(guò)壓保護(hù)電路適用于輸出功率小于75W的小功率電源產(chǎn)品。對(duì)于大功率電源產(chǎn)品，輸出過(guò)壓保護(hù)電路的設(shè)計(jì)是為了控制初級(jí)IC的工作，實(shí)現(xiàn)輸出過(guò)壓保護(hù)。產(chǎn)品過(guò)壓保護(hù)時(shí)，輸出電壓處于打嗝輸出模式或直接關(guān)斷輸出電壓，防止輸出功率過(guò)高損壞后續(xù)負(fù)載系統(tǒng)。因?yàn)殡娐繁容^復(fù)雜，這里就不解釋原理了。

　　以上主要介紹了開(kāi)關(guān)電源輸出過(guò)壓保護(hù)電路的工作原理和作用。部分客戶(hù)在使用開(kāi)關(guān)電源時(shí)，負(fù)載端輸出電壓向后，損壞開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品或?qū)е麻_(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品無(wú)法正常工作。這種情況下，客戶(hù)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)疑問(wèn)：為什么開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品本身具有輸出過(guò)壓保護(hù)功能，產(chǎn)品還是會(huì)損壞？

　　需要指出的是，開(kāi)關(guān)電源的過(guò)壓保護(hù)功能和電源的反壓保護(hù)功能是兩種不同的情況，不能混淆。開(kāi)關(guān)的過(guò)壓保護(hù)功能是電源的向外保護(hù)功能，防止外部負(fù)載系統(tǒng)受損；開(kāi)關(guān)電源的抗反向能力是指外部電壓對(duì)開(kāi)關(guān)電源的影響，以避免產(chǎn)品輸出有反向電壓時(shí)開(kāi)關(guān)電源的損壞。在這里，有必要區(qū)分這兩種情況。下面的圖3和圖4可以很好地說(shuō)明這兩種情況的區(qū)別：

　　二、輸出端反充電壓產(chǎn)生的原因及保護(hù)對(duì)策

　　在開(kāi)關(guān)電源中，根據(jù)反向電壓產(chǎn)生的機(jī)理，在輸出端產(chǎn)生反向電壓有幾種原因：

　　1.系統(tǒng)在不同輸出電壓之間切換時(shí)，高壓會(huì)回流到低壓電源，這是DC充電樁設(shè)備的通病；

　　2.開(kāi)關(guān)電源的負(fù)載為感性負(fù)載，負(fù)載工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的電壓會(huì)回流到開(kāi)關(guān)電源的輸出端；

　　3.在氫氧水電解設(shè)備中，開(kāi)關(guān)電源輸出端也存在反向電壓現(xiàn)象。

　　以下面三種情況下的反向電壓為例，給出了這種情況下開(kāi)關(guān)電源的危害和解決方法。

　　例1:開(kāi)關(guān)電源在DC充電樁中的應(yīng)用輸出端抗反向電壓解決方案：

　　市場(chǎng)上對(duì)新能源汽車(chē)的電池充電和BMS配電系統(tǒng)有很高的要求。為不同類(lèi)型的車(chē)輛充電，要求DC充電樁中的輔助電源有12V和24V兩個(gè)電壓值。公交車(chē)充電系統(tǒng)的輔助電壓源由24V供電，而汽車(chē)充電系統(tǒng)的輔助電壓源由12V供電。DC充電樁和充電槍的應(yīng)用方案框圖如下圖5和圖6所示。

　　在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)12V和24V電源系統(tǒng)的電壓切換時(shí)，24V電壓倒回到12V開(kāi)關(guān)電源的輸出端，導(dǎo)致12V開(kāi)關(guān)電源損壞。

　　在電源設(shè)計(jì)中，輸出電壓為12V的開(kāi)關(guān)電源輸出端濾波電解電容的耐壓值一般為16V。24V的電壓一旦倒回電源的輸出端，就相當(dāng)于在16V的電解電容兩端加了24V的電壓，電解電容就會(huì)因?yàn)檫^(guò)壓而損壞，導(dǎo)致12V的開(kāi)關(guān)電源失效。

　　為了解決電壓切換時(shí)輸出端反向電壓的上述問(wèn)題，楊進(jìn)生提供了相應(yīng)的電源解決方案。

　　對(duì)于DC充電樁設(shè)備，我公司有兩種解決方案：分立方案和集中方案。對(duì)于分立應(yīng)用方案(兩個(gè)開(kāi)關(guān)電源，一個(gè)12V輸出，一個(gè)24V輸出)，12V輸出電壓的開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品中輸出濾波電解電容的規(guī)格值為35V。即使在輸出端倒回24V電壓，電解電容也在耐壓規(guī)范值內(nèi)，電解電容不存在過(guò)壓損壞，解決了充電槍誤操作造成的電源損壞問(wèn)題。DC充電樁防反壓開(kāi)關(guān)電源具體型號(hào)為：LM150-2B12-BSB、LM150-2B12-CDZ、LM150-22B12-CDZ。

　　對(duì)于集中應(yīng)用方案(將12V和24V輸出電壓集成在一個(gè)電源產(chǎn)品中，通過(guò)切換檔位來(lái)選擇輸出電壓):輸出端的電解電容為普通電解電容，因此輸出端濾波電解電容的耐壓選擇為63V的規(guī)格值，即使輸出端有60VDC的反向電壓也不會(huì)損壞輸出濾波電解電容， 從而保證濾波電解電容的可靠工作，保證開(kāi)關(guān)電源在輸出端有反向電壓時(shí)不會(huì)損壞。 DC充電樁設(shè)備集中供電的開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用方案，楊進(jìn)生具體型號(hào)為L(zhǎng)M 150-12m 1224-Q示例2:防止帶感性負(fù)載的開(kāi)關(guān)電源輸出反向電壓的解決方案：

　　當(dāng)開(kāi)關(guān)的負(fù)載是諸如電動(dòng)機(jī)或線圈的感性負(fù)載時(shí)，當(dāng)電源接通時(shí)，輸出電壓/電流被加載到感性負(fù)載上。根據(jù)電磁感應(yīng)定律：V=L x di/dt，

　　負(fù)載兩端產(chǎn)生感應(yīng)電壓。感應(yīng)電壓將回流到開(kāi)關(guān)電源的輸出端。當(dāng)產(chǎn)生的感應(yīng)電壓大于開(kāi)關(guān)電源的過(guò)壓保護(hù)電壓時(shí)，感應(yīng)電壓可能會(huì)觸發(fā)產(chǎn)品的過(guò)壓保護(hù)功能，導(dǎo)致產(chǎn)品的輸出電壓關(guān)斷或打嗝，輸出電壓無(wú)法正常建立。

　　因?yàn)楦袘?yīng)電壓僅在通電時(shí)產(chǎn)生，所以反向電壓加載到電源輸出端的時(shí)間很短。感應(yīng)電壓比較大，但是電流比較小，所以反向功率比較小。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以在開(kāi)關(guān)電源的輸出端和負(fù)載之間連接一個(gè)抗反向電壓二極管，二極管的單相導(dǎo)通特性可以有效地防止感應(yīng)電壓回流到開(kāi)關(guān)電源的輸出端。

　　電壓回流防止二極管的規(guī)格選擇參數(shù)如下：

　　1.電壓規(guī)格值應(yīng)大于感應(yīng)電壓值，以防止反向電壓損壞連接的二極管；

　　2.當(dāng)開(kāi)關(guān)電源正常工作時(shí)，輸出電流通過(guò)二極管流入負(fù)載。當(dāng)電流流過(guò)時(shí)，二極管會(huì)因?qū)▔航刀a(chǎn)生功率損耗，導(dǎo)致二極管發(fā)熱。為了防止二極管受熱嚴(yán)重?fù)p壞，一般二極管的電流規(guī)格為電源額定輸出電流的(5-10)Io，可以在二極管上加一個(gè)熱沉，降低二極管工作時(shí)的溫升。

　　系統(tǒng)正常工作時(shí)，防反向二極管的功率損耗如下：

　　p損失=VF * I0

　　(VF:二極管導(dǎo)通壓降；0:流過(guò)二極管的電流)

　　用于在電源和負(fù)載連接之間連接防反向電壓的二極管解決方案的框圖如下：

　　D1為反壓反向二極管，紅色箭頭為電源電流正常工作方向，綠色箭頭為反向電壓/電流方向。二極管D1的單向?qū)ㄌ匦杂糜谧柚狗聪螂妷?電流流向電源的輸出端。

　　在圖7中，如果開(kāi)關(guān)電源的輸出電流在正常操作期間相對(duì)較大，導(dǎo)致二極管的溫升較高，則可以并聯(lián)使用二極管來(lái)減少流經(jīng)每個(gè)二極管的電流，從而減少操作期間二極管的溫升，并提高系統(tǒng)的可靠性。當(dāng)然，上圖中的D1也可以用MOS管來(lái)防止反向電壓，只是電路比較復(fù)雜。

　　例3:氫氧水電解設(shè)備中開(kāi)關(guān)電源輸出反反向電壓的解決方案：

　　在工業(yè)領(lǐng)域或醫(yī)療輔助行業(yè)，需要氧氣或氫氣，也有客戶(hù)利用水電解生產(chǎn)氧氣和氫氣。但是，水電解后，氧氣和氫氣會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)會(huì)生成水，并排放到外界。這個(gè)放電電壓會(huì)回流到系統(tǒng)前端開(kāi)關(guān)電源的輸出端，造成開(kāi)關(guān)電源的反向電壓/電流，影響開(kāi)關(guān)電源的正常工作。情況3和情況2不同：情況2中，反向電壓的存在時(shí)間只有系統(tǒng)上電時(shí)，系統(tǒng)正常工作后不會(huì)有反向電壓；在第三種情況下，氧氣和氫氣總會(huì)反應(yīng)產(chǎn)生反向電壓，所以反向電壓會(huì)持續(xù)加載到開(kāi)關(guān)電源的輸出端口。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，也可以采用情況2的解決方案，但是需要在電源中增加更多的二極管。同時(shí)，對(duì)于輸出電流較大的開(kāi)關(guān)電源和負(fù)載系統(tǒng)，二極管的功率損耗和溫升也是一個(gè)問(wèn)題。結(jié)果，第二種方案的效率相對(duì)較低，并且不適合于具有高功率輸出的開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)。

　　對(duì)于高輸出功率的開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品，防止輸出端反向電壓的方案可以采用我們現(xiàn)有的產(chǎn)品：LIR-20。

　　該產(chǎn)品與第二種方案的反反向電壓原理相同，同樣利用了二極管的單相導(dǎo)電性。與第二種方案相比，第三種方案已經(jīng)商業(yè)化，可以用于更高功率的系統(tǒng)。LIR-20不僅可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電源的抗反向電壓功能，還可以用于并聯(lián)冗余系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的可靠性。