開關(guān)電源的輸出端反灌電壓產(chǎn)生與防護

本文簡述了設(shè)備中負(fù)載系統(tǒng)或是其他原因產(chǎn)生的倒灌電壓對開關(guān)電源的危害，分析了輸出倒灌電壓對開關(guān)電源中元器件的應(yīng)力影響。針對不同原因產(chǎn)生的倒灌電壓對開關(guān)電源的影響，給出不同的防護方案，使得開關(guān)電源產(chǎn)品即使存在倒灌電壓的情況下，電源和系統(tǒng)仍然可靠工作。

一、輸出過壓保護功能和倒灌電壓差異點說明

為提高開關(guān)電源產(chǎn)品的可靠性，開關(guān)電源會設(shè)計輸出過壓保護功能，防止產(chǎn)品內(nèi)部的某個元器件損壞后，導(dǎo)致輸出電壓升高。而電源后端的負(fù)載只能承受一定的電壓大小，一旦輸出電壓升高，會損壞電源后端的負(fù)載。為防止此問題發(fā)生，開關(guān)電源都會設(shè)計輸出過壓保護電路，從而提升系統(tǒng)可靠性工作。

開關(guān)電源的輸出電壓過壓保護功能原理如下：

根據(jù)上圖1原理圖所示：輸出電壓Vo的計算公式如下所示：電阻R1、R2是已知參數(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)計算公式知，Vo電壓會變?yōu)闊o窮大，一旦輸出電壓升高到一定值后，則會損壞電源的負(fù)載，導(dǎo)致系統(tǒng)燒壞。為防止此問題發(fā)生，在電路中增加輸出過壓保護電路。如圖2所示是輸出過壓保護電路的原理簡圖之一，其工作原理如下：一旦下拉電阻R2短路，輸出電壓往上升高，一旦輸出電壓升高到穩(wěn)壓二極管ZD1的擊穿電壓后，穩(wěn)壓二極管工作，把輸出電壓鉗位在穩(wěn)壓二極管的擊穿電壓值，防止輸出電壓繼續(xù)上升到無窮大，此時輸出電壓值被穩(wěn)壓二極管鉗位在擊穿電壓值大小，不會再上升。穩(wěn)壓二極管ZD1的規(guī)格參數(shù)值選型一般選取大于輸出電壓值2-3V即可。

圖2的過壓保護電路適用于輸出功率小于75W以下的小功率電源產(chǎn)品中，對于大功率電源產(chǎn)品，輸出過壓保護電路的設(shè)計是控制原邊IC的工作，實現(xiàn)輸出過壓保護。當(dāng)產(chǎn)品過壓保護時，輸出電壓呈現(xiàn)打嗝輸出模式或是直接關(guān)斷輸出電壓，防止輸出功率過高損壞后級負(fù)載系統(tǒng)。由于電路比較復(fù)雜，在此不做原理說明。

以上主要介紹開關(guān)電源的輸出過壓保護電路的工作原理和作用。部分客戶在使用開關(guān)電源時，負(fù)載端存在輸出電壓倒灌現(xiàn)象，損壞開關(guān)電源產(chǎn)品或是導(dǎo)致開關(guān)電源產(chǎn)品無法正常工作?？蛻粼诖饲闆r下就會有疑問：為啥開關(guān)電源產(chǎn)品自身有輸出過壓保護功能，產(chǎn)品還是會損壞？

在此需要特別指出：開關(guān)電源的過壓保護功能和電源防倒灌電壓功能是兩種不同的情況，不能混為一談。開關(guān)電源的過壓保護功能是電源向外的保護功能，防止外部負(fù)載系統(tǒng)損壞；而開關(guān)電源的防倒灌能力是指外部電壓對開關(guān)電源的影響力，避免產(chǎn)品的輸出端存在倒灌電壓時損壞開關(guān)電源，在此需要特別區(qū)分這兩種情況。以下圖3和圖4可以很好說明這兩種情況的差異點：

二、輸出端反灌電壓產(chǎn)生的原因和防護解決對策

在開關(guān)電源中，根據(jù)倒灌電壓產(chǎn)生的機理，輸出端存在反灌電壓的原因有如下幾種情況：

1、系統(tǒng)在不同的輸出電壓之間切換時會存在高壓電壓倒灌到低壓電源中，此問題在直流充電樁設(shè)備中比較常見；

2、開關(guān)電源的負(fù)載是感性負(fù)載，負(fù)載工作時會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，感應(yīng)電動勢生成的電壓倒灌到開關(guān)電源的輸出端；

3、在水電解氫氣和氧氣的設(shè)備中，也存在開關(guān)電源的輸出端有倒灌電壓現(xiàn)象。

下面以這三種情況的倒灌電壓為例，給出開關(guān)電源在此情況下的危害和解決方案。

例一：開關(guān)電源在直流充電樁中的應(yīng)用的輸出端防倒灌電壓解決方案：

市場對新能源汽車電池充電和BMS配電系統(tǒng)有較高的要求。為給不同類型的汽車充電，要求直流充電樁中的輔助電源具有12V和24V兩種電壓值。大巴車充電系統(tǒng)的輔助電壓源供電采用24V供電，而小汽車充電系統(tǒng)的輔助電壓源供電電壓采用12V電壓值。直流充電樁和充電槍應(yīng)用方案框圖如下圖5和圖6所示。

在實際應(yīng)用中，當(dāng)12V和24V供電系統(tǒng)的電壓在切換時，存在把24V電壓倒灌到12V的開關(guān)電源輸出端，導(dǎo)致12V的開關(guān)電源損壞。

在電源設(shè)計時，輸出電壓為12V的開關(guān)電源的輸出端濾波電解電容耐壓值一般選取16V的規(guī)格值，一旦24V電壓倒灌到電源的輸出端，相當(dāng)于把24V電壓加到16V電解電容兩端，電解電容會因為過壓損壞，導(dǎo)致12V的開關(guān)電源失效。

針對以上當(dāng)電壓切換時導(dǎo)致輸出端有倒灌電壓的問題，金升陽有對應(yīng)的電源解決方案。

針對直流充電樁設(shè)備，我司有分立式方案和集中式方案兩種解決方案：針對分立式應(yīng)用方案(兩只開關(guān)電源，一只輸出12V，一只輸出24V)，把輸出電壓為12V的開關(guān)電源產(chǎn)品中的輸出濾波電解電容規(guī)格值選用35V。即使在輸出端倒灌24V電壓值，電解電容也在耐壓規(guī)格值內(nèi)，不存在電解電容過壓損壞，從而解決因充電槍誤操作導(dǎo)致電源損壞的問題，直流充電樁中防倒灌電壓的開關(guān)電源具體型號有：LM150-20B12-BSB、LM150-20B12-CDZ、LM150-22B12-CDZ。

對于集中式應(yīng)用方案(把12V和24V兩種輸出電壓集成在一個電源產(chǎn)品中，通過開關(guān)檔位選擇輸出電壓)：輸出端的電解電容是共用電解電容，因此輸出端的濾波電解電容耐壓值選取為63V的規(guī)格值，即使輸出端存在60VDC的倒灌電壓，也不會損壞輸出濾波電解電容，保證濾波電解電容可靠工作，從而保證輸出端存在倒灌電壓時，開關(guān)電源也不會損壞。對于直流充電樁設(shè)備中集中式供電的開關(guān)電源應(yīng)用方案，金升陽具體型號為：LM150-12M1224-Q。

例二：開關(guān)電源在帶感性負(fù)載時輸出端防倒灌電壓解決方案：

開關(guān)電源的負(fù)載是電機、線圈等感性負(fù)載時，在電源上電一瞬間時，輸出電壓/電流加載到感性負(fù)載上，根據(jù)電磁感應(yīng)定律：V = L x di/dt，

會在負(fù)載兩端生成感應(yīng)電壓。感應(yīng)電壓會倒灌到開關(guān)電源的輸出端。當(dāng)生成的感應(yīng)電壓大于開關(guān)電源的過壓保護電壓，感應(yīng)電壓可能會觸發(fā)產(chǎn)品的過壓保護功能，導(dǎo)致產(chǎn)品輸出電壓關(guān)斷或打嗝，輸出電壓不能正常建立。

由于此感應(yīng)電壓只在電源開機瞬間產(chǎn)生，倒灌電壓加載到電源輸出端的時間較短。感應(yīng)電壓比較大，而電流較小，因此倒灌的功率較小。對于此問題的解決方案，可以在開關(guān)電源的輸出端和負(fù)載之間接入一個防倒灌電壓二極管，利用二極管的單相導(dǎo)通特性，可以有效的防止感應(yīng)電壓倒灌到開關(guān)電源的輸出端。

防電壓倒灌二極管的規(guī)格選取參數(shù)如下：

1、電壓規(guī)格值要大于感應(yīng)電壓值，防止倒灌電壓損壞接入的二極管；

2、由于開關(guān)電源在正常工作時，輸出電流是通過二極管流入到負(fù)載。電流流過時，二極管會因?qū)▔航诞a(chǎn)生功率損耗，使得二極管發(fā)熱。為防止二極管發(fā)熱嚴(yán)重?fù)p壞，一般二極管的電流規(guī)格選取電源額定輸出電流的(5-10)Io，并且可以在二極管上增加散熱片，以降低二極管工作時的溫升。

系統(tǒng)正常工作時，防倒灌二極管的功率損耗大小如下公式：

P損 = VF * I0

（ VF：二極管導(dǎo)通壓降；I0：流過二極管的電流）

開關(guān)電源和負(fù)載連線之間接入防倒灌電壓的二極管解決方案框圖如下所示：

D1是防電壓倒灌二極管，紅色箭頭是電源電流正常工作的流向，綠色箭頭是倒灌電壓/電流的流向。利用二極管D1的單向?qū)ㄌ匦?，阻斷倒灌電?電流流向電源的輸出端。

在圖7中，若是開關(guān)電源正常工作時的輸出電流比較大，導(dǎo)致二極管的溫升較高，可以對二極管進(jìn)行并聯(lián)使用，降低流過每個二極管的電流大小，從而減小二極管工作時的溫升，提高系統(tǒng)的可靠性。當(dāng)然上圖中的D1也可以使用MOS管進(jìn)行防止倒灌電壓，只是電路較為復(fù)雜。

例三：開關(guān)電源在水電解氫氣和氧氣的設(shè)備中輸出端防倒灌電壓解決方案：

在工業(yè)領(lǐng)域或醫(yī)療輔助等行業(yè)，需要使用到氧氣或氫氣情況，部分客戶對于氧氣和氫氣的生產(chǎn)采用水電解實現(xiàn)。但是水電解完成后，氧氣和氫氣會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在生成水的同時對外放電，此放電電壓會倒灌到系統(tǒng)前端的開關(guān)電源輸出端，導(dǎo)致開關(guān)電源存在倒灌電壓/電流，影響開關(guān)電源的正常工作。

案例三和案例二有所不同：在案例二中，倒灌電壓的存在時間只是在系統(tǒng)上電瞬間，系統(tǒng)正常工作后，不會再有倒灌電壓存在；而在案例三中，氧氣和氫氣會一直存在反應(yīng)，生成倒灌電壓，因此倒灌電壓會持續(xù)加載到開關(guān)電源的輸出端口。對于此問題，也可以采用案例二的解決方案，只是需要在電源外加比較多的二極管，同時對于輸出電流比較大的開關(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問題。導(dǎo)致方案二的效率比較低，并不適用于大功率輸出的開關(guān)電源系統(tǒng)。

對于輸出功率比較大的開關(guān)電源產(chǎn)品，輸出端防倒灌電壓的方案可以采用我司現(xiàn)有產(chǎn)品：LIR-20。

此產(chǎn)品和方案二的防倒灌電壓原理一樣，也是利用二極管的單相導(dǎo)電特性。和方案二相比，方案三已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)品化，并且可以用于更大功率的系統(tǒng)中。LIR-20除了可以實現(xiàn)開關(guān)電源的防倒灌電壓功能，還可以用于并聯(lián)冗余系統(tǒng)設(shè)計，提高系統(tǒng)的可靠性。

三、總結(jié)

本文說明了開關(guān)電源輸出端在接入不同的負(fù)載時，由于負(fù)載特性，系統(tǒng)在工作時，負(fù)載可能會產(chǎn)生電壓，此電壓倒灌到開關(guān)電源的輸出端，影響電源和系統(tǒng)正常工作，甚至?xí)p壞開關(guān)電源。本文根據(jù)開關(guān)電源在實際應(yīng)用過程中的三個案例，通過對倒灌電壓產(chǎn)生的機理分析，給出不同的防倒灌電壓解決方案。

由于開關(guān)電源在各行各業(yè)廣泛應(yīng)用，輸出端的倒灌電壓產(chǎn)生機理可能有所差異，但解決方案原理基本相似：在開關(guān)電源的輸出端和負(fù)載之間增加防倒灌二極管，利用二極管的單向?qū)ㄌ匦?，解決倒灌電壓影響開關(guān)電源和系統(tǒng)工作問題。