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精读干货 | 开关电源的输出端反灌电压产生与防护

精读干货 | 开关电源的输出端反灌电压产生与防护

摘要:本文简述了设备中负载系统或是其他原因产生的倒灌电压对开关电源的危害,分析了输出倒灌电压对开关电源中元器件的应力影响。针对不同原因产生的倒灌电压对开关电源的影响,给出不同的防护方案,使得开关电源产品即使存在倒灌电压的情况下,电源和系统仍然可靠工作。

一,输出过压保护功能和倒灌电压差异点说明

为提高开关电源产品的可靠性,开关电源会设计输出过压保护功能,防止产品内部的某个元器件损坏后,导致输出电压升高。而电源后端的负载只能承受一定的电压大小,一旦输出电压升高,会损坏电源后端的负载。为防止此问题发生,开关电源都会设计输出过压保护电路,从而提升系统可靠性工作。

开关电源的输出电压过压保护功能原理如下:

根据上图1原理图所示:输出电压Vo的计算公式如下所示:电阻R1,R2是已知参数,Vref =2.5V

V0 = [R1/R2+1] x Vref

在电路中,一旦下拉电阻R2短路,根据计算公式知,Vo电压会变为无穷大,一旦输出电压升高到一定值后,则会损坏电源的负载,导致系统烧坏。为防止此问题发生,在电路中增加输出过压保护电路。如图2所示是输出过压保护电路的原理简图之一,其工作原理如下:一旦下拉电阻R2短路,输出电压往上升高,一旦输出电压升高到稳压二极管ZD1的击穿电压后,稳压二极管工作,把输出电压钳位在稳压二极管的击穿电压值,防止输出电压继续上升到无穷大,此时输出电压值被稳压二极管钳位在击穿电压值大小,不会再上升。稳压二极管ZD1的规格参数值选型一般选取大于输出电压值2-3V即可。

图2的过压保护电路适用于输出功率小于75W以下的小功率电源产品中,对于大功率电源产品,输出过压保护电路的设计是控制原边IC的工作,实现输出过压保护。当产品过压保护时,输出电压呈现打嗝输出模式或是直接关断输出电压,防止输出功率过高损坏后级负载系统。由于电路比较复杂,在此不做原理说明。

以上主要介绍开关电源的输出过压保护电路的工作原理和作用。部分客户在使用开关电源时,负载端存在输出电压倒灌现象,损坏开关电源产品或是导致开关电源产品无法正常工作。客户在此情况下就会有疑问:为啥开关电源产品自身有输出过压保护功能,产品还是会损坏?

在此需要特别指出:开关电源的过压保护功能和电源防倒灌电压功能是两种不同的情况,不能混为一谈。开关电源的过压保护功能是电源向外的保护功能,防止外部负载系统损坏;而开关电源的防倒灌能力是指外部电压对开关电源的影响力,避免产品的输出端存在倒灌电压时损坏开关电源,在此需要特别区分这两种情况。以下图3和图4可以很好说明这两种情况的差异点:

二,输出端反灌电压产生的原因和防护解决对策

在开关电源中,根据倒灌电压产生的机理,输出端存在反灌电压的原因有如下几种情况:

1,系统在不同的输出电压之间切换时会存在高压电压倒灌到低压电源中,此问题在直流充电桩设备中比较常见;

2,开关电源的负载是感性负载,负载工作时会产生感应电动势,感应电动势生成的电压倒灌到开关电源的输出端;

3,在水电解氢气和氧气的设备中,也存在开关电源的输出端有倒灌电压现象。

下面以这三种情况的倒灌电压为例,给出开关电源在此情况下的危害和解决方案。

例一:开关电源在直流充电桩中的应用的输出端防倒灌电压解决方案:

市场对新能源汽车电池充电和BMS配电系统有较高的要求。为给不同类型的汽车充电,要求直流充电桩中的辅助电源具有12V和24V两种电压值。大巴车充电系统的辅助电压源供电采用24V供电,而小汽车充电系统的辅助电压源供电电压采用12V电压值。直流充电桩和充电枪应用方案框图如下图5和图6所示。

在实际应用中,当12V和24V供电系统的电压在切换时,存在把24V电压倒灌到12V的开关电源输出端,导致12V的开关电源损坏。

在电源设计时,输出电压为12V的开关电源的输出端滤波电解电容耐压值一般选取16V的规格值,一旦24V电压倒灌到电源的输出端,相当于把24V电压加到16V电解电容两端,电解电容会因为过压损坏,导致12V的开关电源失效。

针对以上当电压切换时导致输出端有倒灌电压的问题,金升阳有对应的电源解决方案。

针对直流充电桩设备,我司有分立式方案和集中式方案两种解决方案:针对分立式应用方案(两只开关电源,一只输出12V,一只输出24V),把输出电压为12V的开关电源产品中的输出滤波电解电容规格值选用35V。即使在输出端倒灌24V电压值,电解电容也在耐压规格值内,不存在电解电容过压损坏,从而解决因充电枪误操作导致电源损坏的问题,直流充电桩中防倒灌电压的开关电源具体型号有:LM150-20B12-BSB,LM150-20B12-CDZ,LM150-22B12-CDZ。

对于集中式应用方案(把12V和24V两种输出电压集成在一个电源产品中,通过开关档位选择输出电压):输出端的电解电容是共用电解电容,因此输出端的滤波电解电容耐压值选取为63V的规格值,即使输出端存在60VDC的倒灌电压,也不会损坏输出滤波电解电容,保证滤波电解电容可靠工作,从而保证输出端存在倒灌电压时,开关电源也不会损坏。对于直流充电桩设备中集中式供电的开关电源应用方案,金升阳具体型号为:LM150-12M1224-Q。

 例二:开关电源在带感性负载时输出端防倒灌电压解决方案:

开关电源的负载是电机,线圈等感性负载时,在电源上电一瞬间时,输出电压/电流加载到感性负载上,根据电磁感应定律:V = L x di/dt,

会在负载两端生成感应电压。感应电压会倒灌到开关电源的输出端。当生成的感应电压大于开关电源的过压保护电压,感应电压可能会触发产品的过压保护功能,导致产品输出电压关断或打嗝,输出电压不能正常建立。

由于此感应电压只在电源开机瞬间产生,倒灌电压加载到电源输出端的时间较短。感应电压比较大,而电流较小,因此倒灌的功率较小。对于此问题的解决方案,可以在开关电源的输出端和负载之间接入一个防倒灌电压二极管,利用二极管的单相导通特性,可以有效的防止感应电压倒灌到开关电源的输出端。

防电压倒灌二极管的规格选取参数如下:

1,电压规格值要大于感应电压值,防止倒灌电压损坏接入的二极管;

2,由于开关电源在正常工作时,输出电流是通过二极管流入到负载。电流流过时,二极管会因导通压降产生功率损耗,使得二极管发热。为防止二极管发热严重损坏,一般二极管的电流规格选取电源额定输出电流的(5-10)Io,并且可以在二极管上增加散热片,以降低二极管工作时的温升。

系统正常工作时,防倒灌二极管的功率损耗大小如下公式:P损 = VF * I0

( VF:二极管导通压降;I0:流过二极管的电流)

开关电源和负载连线之间接入防倒灌电压的二极管解决方案框图如下所示:

D1是防电压倒灌二极管,红色箭头是电源电流正常工作的流向,绿色箭头是倒灌电压/电流的流向。利用二极管D1的单向导通特性,阻断倒灌电压/电流流向电源的输出端。

在图7中,若是开关电源正常工作时的输出电流比较大,导致二极管的温升较高,可以对二极管进行并联使用,降低流过每个二极管的电流大小,从而减小二极管工作时的温升,提高系统的可靠性。当然上图中的D1也可以使用MOS管进行防止倒灌电压,只是电路较为复杂。

例三:开关电源在水电解氢气和氧气的设备中输出端防倒灌电压解决方案:

在工业领域或医疗辅助等行业,需要使用到氧气或氢气情况,部分客户对于氧气和氢气的生产采用水电解实现。但是水电解完成后,氧气和氢气会发生化学反应,在生成水的同时对外放电,此放电电压会倒灌到系统前端的开关电源输出端,导致开关电源存在倒灌电压/电流,影响开关电源的正常工作。

案例三和案例二有所不同:在案例二中,倒灌电压的存在时间只是在系统上电瞬间,系统正常工作后,不会再有倒灌电压存在;而在案例三中,氧气和氢气会一直存在反应,生成倒灌电压,因此倒灌电压会持续加载到开关电源的输出端口。对于此问题,也可以采用案例二的解决方案,只是需要在电源外加比较多的二极管,同时对于输出电流比较大的开关电源和负载系统,二极管的功率损耗和温升也是一个问题。导致方案二的效率比较低,并不适用于大功率输出的开关电源系统。

对于输出功率比较大的开关电源产品,输出端防倒灌电压的方案可以采用我司现有产品:LIR-20。

此产品和方案二的防倒灌电压原理一样,也是利用二极管的单相导电特性。和方案二相比,方案三已经实现产品化,并且可以用于更大功率的系统中。LIR-20除了可以实现开关电源的防倒灌电压功能,还可以用于并联冗余系统设计,提高系统的可靠性。

三,总结

本文说明了开关电源输出端在接入不同的负载时,由于负载特性,系统在工作时,负载可能会产生电压,此电压倒灌到开关电源的输出端,影响电源和系统正常工作,甚至会损坏开关电源。本文根据开关电源在实际应用过程中的三个案例,通过对倒灌电压产生的机理分析,给出不同的防倒灌电压解决方案。

由于开关电源在各行各业广泛应用,输出端的倒灌电压产生机理可能有所差异,但解决方案原理基本相似:在开关电源的输出端和负载之间增加防倒灌二极管,利用二极管的单向导通特性,解决倒灌电压影响开关电源和系统工作问题。

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王静
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