開關(guān)電源輸入端繼電器觸點短路失效分析

1   失效現(xiàn)象及來源

實際工程設(shè)計中，把圖1 的PFC^[注1] 電路設(shè)計到產(chǎn)品上，測試發(fā)現(xiàn)沖擊電流超標(biāo)（ 設(shè)計目標(biāo)≤ 25 A）， 到達(dá)70 A。本方案中，熱敏電阻^[注2]RT1 的阻值為10Ω，理論上計算，按照輸入電壓為90 VAC，即在相位90°或270°時，最大的輸入峰值電壓為90 ? 2 ≈127 V，輸入最大峰值電流（輸入沖擊電流）為Imax =127 /10 =12.7 A，測試結(jié)果和理論計算完全偏離。

廣州金升陽科技有限公司 蔡曉靜

結(jié)合圖1 分析，影響輸入沖擊電流的器件主要是熱敏電阻RT1 和繼電器K1，有以下4 種組合情況：①熱敏電阻開路和繼電器未吸合，此時輸入屬于開路狀態(tài)，產(chǎn)品應(yīng)該無輸入；②熱敏電阻開路和繼電器吸合，輸入電流經(jīng)過繼電器直接給到后端電路，熱敏電阻在電路中不起作用，輸入沖擊電流大；③熱敏電阻正常和繼電器未吸合，輸入電流經(jīng)過熱敏電阻給到后端電路，輸入沖擊電流受抑制而減少；④熱敏電阻正常和繼電器吸合，輸入電流主要經(jīng)繼電器給到后端電路，熱敏電阻在電路中不起作用，輸入沖擊電流大。對熱敏電阻和繼電器進(jìn)行檢測，結(jié)果為熱敏電阻阻值正常，繼電器在沒有供電的情況下常開點處于吸合狀態(tài)，也就是繼電器為異常器件。更換新的繼電器后，測得的沖擊電流僅為7.4 A。之前產(chǎn)品測試沖擊電流超標(biāo)屬于第④種情況，輸入電流主要經(jīng)繼電器給到后端電路，熱敏電阻在電路中不起作用，導(dǎo)致輸入沖擊電流大。圖1 電路的工作原理為：繼電器K1 并聯(lián)在輸入熱敏電阻RT1 的兩端，由PFC 電感L2 的輔助繞組經(jīng)過線性穩(wěn)壓后供電。當(dāng)開關(guān)電源上電啟動后，因為繼電器K1此時沒有供電電壓，繼電器K1 處于開路狀態(tài)，輸入電流通過熱敏電阻RT1 給大電解電容C8 充電，從而限制了開機(jī)的輸入沖擊電流。當(dāng)功率管Q1 接收的驅(qū)動信號后，PFC 電感L2 輔助繞組電壓建立，即繼電器K1供電電壓建立。當(dāng)供電電壓達(dá)到9 V 左右時，繼電器開始工作，觸點閉合把熱敏電阻RT1 短路，降低產(chǎn)品工作時的輸入線路阻抗，減少損耗，提高產(chǎn)品的效率。

圖1 PFC電路

2   繼電器觸點短路失效的原因

對于繼電器未供電，常開點已經(jīng)吸合的情況，即繼電器觸點短路失效，一般存在3 種可能，下面對3種可能原因一一進(jìn)行分析排查：①繼電器動作頻率過高，使用次數(shù)已超過繼電器所能承受的開關(guān)次數(shù)；②繼電器所處環(huán)境溫度過高；③繼電器流經(jīng)浪涌電流過大。通過對圖1 電路工作原理的分析和實際監(jiān)測繼電器K1 觸點兩端電壓，繼電器K1 僅在上電過程中動作，正常工作后觸點不會再有開關(guān)動作，因此繼電器K1 的開關(guān)次數(shù)僅與人為輸入的開關(guān)次數(shù)有關(guān)。通過查閱繼電器的規(guī)格書可知，該繼電器的使用次數(shù)為1×104 次，產(chǎn)品還在調(diào)試階段，不可能達(dá)到1×104 次，所以不是使用次數(shù)超過壽命的原因?qū)е隆?/p>

圖2 繼電器觸點穩(wěn)態(tài)電流波形（注：黃色為輸入電壓，藍(lán)色為繼電器觸點電流）

通過實際測量，如圖2 所示，該繼電器工作時觸點電流約3 A，繼電器環(huán)境溫度為83 ℃。查閱本款應(yīng)用的繼電器規(guī)格書標(biāo)明環(huán)境耐溫參數(shù)為10 A/85 ℃，通入電流7 A 時可用于105 ℃，對比實際使用的環(huán)境和電流，可以排除由于使用環(huán)境溫度過高的原因?qū)е隆?/p>

圖3 繼電器觸點導(dǎo)通波形（注：黃色為輸入電壓，藍(lán)色為繼電器觸點電流）

繼電器K1 后端負(fù)載為感性負(fù)載（L1、L2）及容性負(fù)載（C1、C2、C8），實測繼電器K1 觸點電流，如圖3 所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)繼電器K1 觸點在導(dǎo)通后的一段時間內(nèi)出現(xiàn)了尖峰電流，最大尖峰Imax = 39.4 A。繼電器規(guī)格參數(shù)最大耐電流10 A，而在調(diào)試產(chǎn)品時經(jīng)過多次開機(jī)產(chǎn)生的浪涌電流沖擊（39.4 A）會使觸點處損傷，進(jìn)而導(dǎo)致粘合失效。

圖4 監(jiān)測PFC電感L₂啟機(jī)電流

3   繼電器吸合中出現(xiàn)浪涌電流的原因

通過排查，了解了繼電器觸點短路失效的原因是繼電器流經(jīng)浪涌電流過大，那么在圖1 的電路中，是什么原因引起繼電器吸合中出現(xiàn)浪涌電流，對以下可能導(dǎo)致浪涌電流的器件進(jìn)行監(jiān)測和分析：

①是否PFC 電感L2 飽和；

②是否L1 差模電感飽和；

③是否π 型濾波電容C1 太大；

④是否PFC 限制箝位電流太大。

監(jiān)測PFC 電感L2 啟機(jī)電流如圖4，此時PFC 電感電流被削頂即PFC 電流受到限制箝位于13.1 A，PFC 電流波形良好，且B<0.32，實測通入13 A電流時，電感感量為180 μH（L2 標(biāo)稱電感量為190 μH），PFC電感未飽和，見圖5。

圖5 PFC電感未飽和

L₁ 差模電感參數(shù)為200 μH/48Ts/0.7 mm，實測其飽和電流如圖6，當(dāng)通入13.1 A 電流（PFC 啟動時被箝位的電流）時感量只有為12.5 μH，電感感量急劇下降，已經(jīng)出現(xiàn)了飽和現(xiàn)象。此時π 型濾波的電感L1已無法對PFC 啟動過程中流過繼電器K₁ 的電流進(jìn)行有效濾波。更換差模電感L₁，選用飽和電流更大的差模電感（飽和電流約16 A/200 μH），測試其觸點電流，導(dǎo)通瞬態(tài)電流8 A，導(dǎo)通后電流尖峰最大17.4 A，觸點電流尖峰明顯減小，更換前如圖7 和更換后如圖8所示。

圖6 飽和電流

圖7 更換前觸點電流

圖8 更換后觸點電流（注：綠色為C₈電容電壓，紅色為繼電器觸點電流）

C₁ 為π 型濾波電路的第一個電容，輸入電壓直接對C₁ 進(jìn)行充電，會產(chǎn)生畸變脈沖充電電流。電容越大，畸變電流脈沖越大，從而導(dǎo)致繼電器的觸點電流峰值越大。在措施L1 差模電感更換的基礎(chǔ)上減小C₁ 容值由474/450 V 改為683/450 V，測試?yán)^電器觸點電流，發(fā)現(xiàn)繼電器觸點電流最大8.6 A，電流尖峰明顯進(jìn)一步減少（之前為17.4 A），如圖9 所示。

圖9 PFC升壓時電流電壓波形（綠色為C₈電容電壓，紅色為繼電器觸點電流）

PFC 控制IC 啟動過程：大電解電容C8 升壓過程中，PFC 控制IC 驅(qū)動輸出的占空比會由0 升至最大Ton max，如圖10。PFC 電流逐漸達(dá)到PFC 電流采樣限制從而被箝位，如圖4 所示。PFC 啟機(jī)箝位電流與PFC 電流采樣電阻有關(guān)，實際工程設(shè)計中PFC 電流采樣電阻R = 22 mΩ，PFC 箝位電流約13.1 A。增大R = 40 mΩ，箝位電流減小，沖擊電流尖峰減小，同時也可增大L1 在啟機(jī)時的感量，增大PFC π 型濾波效果，如圖11，觸點電流尖峰最大9.6 A。PFC 電流采樣電阻直接和產(chǎn)品的過流能力有關(guān)，一般情況下，過流點設(shè)計好后，不建議改動此電阻。

圖10 PFC啟動

綜上所述，輸入端繼電器閉合后出現(xiàn)較大沖擊電流可總結(jié)如下：PFC 電流采樣電阻小即過流點大，PFC 開始工作時（升壓）輸入電流達(dá)到箝位點的電流大； π 型濾波的差模電感如果出現(xiàn)飽和的情況，會失去對電流的抑制作用；濾波電容C1 電容值越大，畸變電流脈沖越大。

圖11 繼電器觸點電流波形

4   繼電器在開關(guān)電源產(chǎn)品上的設(shè)計參考

①輸入端的π 型濾波電路：選用飽和電流更大的差模電感，同時減小π 型濾波第一個電容容值

②增大PFC 電流采樣電阻，減小PFC 箝位電流（這點要和產(chǎn)品需求的過流能力平衡）

除了從電路上對參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化外，繼電器的選型也很關(guān)鍵，這里介紹一下繼電器觸點材料不同在應(yīng)用上的差異。例如宏發(fā)HF46F-G 系列繼電器，其規(guī)格書中給出繼電器觸點材質(zhì)分為兩種材料：AgSnO2 和AgNi， 即：HF46F-G/XXT（ 帶T） 觸點材料為AgSnO2；HF46F-G/XX（不帶T）觸點材料為AgNi。該系列的規(guī)格書中對不同材料觸點的應(yīng)用也做了區(qū)分，如下：

① AgSnO2 常用于容性負(fù)載、感性負(fù)載、馬達(dá)負(fù)載等會產(chǎn)生浪涌電流的應(yīng)用場合

② AgNi 常用于阻性負(fù)載，電流穩(wěn)定的場合那么，對于開關(guān)電源輸入端使用的繼電器應(yīng)用，后端實際負(fù)載一般都會有電感、電容等導(dǎo)致浪涌電流出現(xiàn)的器件，所以在選擇繼電器時就應(yīng)該使用觸點材料為AgSnO2 的繼電器。

繼電器的失效一般有以下幾種：繼電器內(nèi)部多余物、觸點表面污物、工藝結(jié)構(gòu)不當(dāng)、觸點燒蝕、粘連、銀離子遷移、外部應(yīng)力導(dǎo)致簧片位移。這些失效模式大部分是由于繼電器的生產(chǎn)工藝控制不當(dāng)引起的，因此對于繼電器生產(chǎn)廠家來說，改善生產(chǎn)環(huán)境、完善質(zhì)量控制及檢驗制度對預(yù)防繼電器頻繁失效將起到非常關(guān)鍵的作用。此外，用戶必須依據(jù)實際使用要求，首先優(yōu)選使用類型，再審慎確定所需的功能特性與物理特性（包含環(huán)境適應(yīng)性要求、輸入、輸出參數(shù)、時間參數(shù)、觸點壽命、體積、質(zhì)量、安裝尺寸、安裝方式、密封性等），從而選用適合的繼電器，對避免使用過程中導(dǎo)致的失效也有重要意義。開關(guān)電源實際工作過程中，即使繼電器觸點短路失效，產(chǎn)品也可正常工作，因此在使用過程中很難發(fā)現(xiàn)。而一旦繼電器觸點短路失效，較大的輸入沖擊電流就會影響產(chǎn)品工作的可靠性，也可能因為較大的輸入沖擊電流導(dǎo)致前端供電系統(tǒng)異常報警。為預(yù)防這種情況出現(xiàn)，應(yīng)在設(shè)計前期把握好電路參數(shù)的選擇和選擇符合該電路特性的繼電器型號。

注1：PFC：英文全稱為“Power Factor Correction”，意思是“功率因數(shù)校正”，功率因數(shù)指的是有效功率與總耗電量（視在功率）之間的關(guān)系，也就是有效功率除以總耗電量（視在功率）的比值。

注2：熱敏電阻（NTC）：是一種傳感器電阻，其電阻值隨著溫度的變化而改變。NTC thermistor，即Negative Temperature Coefficient thermistor，負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，意思是溫度越高，阻值越小。

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年9月期）