電子設(shè)備電源電磁兼容浪涌抗擾度測試探討

摘 要：

通過電源內(nèi)部鋁電解電容失效分析，提出浪涌測試不能僅按國標(biāo)要求測試是否合格、還需評估浪涌回路上各器件的電壓應(yīng)力、電流應(yīng)力是否超額。對于浪涌設(shè)計(jì)常有兩種方案，一是采用熔斷電阻器(保險(xiǎn)絲電阻)、二是采用電壓鉗位器件(浪涌保護(hù)器、壓敏電阻等)。在國內(nèi)使用，常用的壓敏電壓規(guī)格有 470V 與560V，通過壓敏電阻關(guān)鍵參數(shù)對比及電源后級器件殘壓比較，結(jié)果表明，高通流量可提高浪涌等級、使用低壓敏電壓(470V)的壓敏電阻能有效抑制浪涌、降低后級器件的浪涌電壓。

0引言

浪涌是電源的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，特別是夏天雷雨多發(fā)季節(jié)，電網(wǎng)有感應(yīng)雷產(chǎn)生的浪涌電壓，影響電源的可靠運(yùn)行。國標(biāo) GB/T17626.5 規(guī)定的浪涌實(shí)驗(yàn)可以模擬電力系統(tǒng)開關(guān)瞬態(tài)及雷電瞬態(tài)產(chǎn)生的浪涌騷擾，這對電源浪涌性能評測及設(shè)計(jì)有重要指導(dǎo)意義。那么除了按國標(biāo)要求評測外還需要關(guān)注哪些細(xì)節(jié)？下文從浪涌指標(biāo)測試及設(shè)計(jì)兩方面進(jìn)行分析。

1浪涌評測誤區(qū)

1.1 案例背景

某筆記本電腦電源投入市場不到一年、售后表現(xiàn)不佳，在夏季集中出現(xiàn)無輸出故障，將不良品收集分析，不良器件集中在高壓電解電容(100uF/400V)頂部防爆閥鼓爆、漏液。電容不良原因?qū)⒎?3 類討論，一是電容自身是否不良，二是客戶使用環(huán)境是否超電壓、溫度，三是電源浪涌設(shè)計(jì)是否合理。

1.2 電容自身是否有異常

首先從不良電容內(nèi)部工藝角度進(jìn)行排查、其次排查鋁箔及電解液。電容內(nèi)部工藝結(jié)構(gòu)是否有異常:將不良電解電容解剖,分析各個(gè)部位是否存在異常。⑴卷芯本體,外層固定膠帶熔化,如圖1所示;說明電芯高溫后、膠帶熔化。

圖1電容卷芯圖
(⑵卷芯底部,卷繞良好,無異常,如圖2所示。

小結(jié):電解電容內(nèi)部工藝正常;在電容工作過程中有高溫導(dǎo)致電解質(zhì)顏色變深、卷芯膠帶熔化﹔高溫產(chǎn)生原因需進(jìn)一步確認(rèn)。

1.3 電源應(yīng)用環(huán)境調(diào)查

通過售后走訪、客戶只損壞此電源，接在同一排插的其他設(shè)備均未損壞，排除電路誤接三相電網(wǎng)變 380V的可能。同時(shí)電源在室內(nèi)使用，環(huán)境溫度在電源指標(biāo)范圍內(nèi)。

1.4 電源浪涌測試

進(jìn)一步測試?yán)擞渴欠駮?huì)損壞電源。取同一批次 5 個(gè)電源(1~5#)，按 GB/T 17626.5 浪涌(沖擊)抗擾度試驗(yàn)的方法，在市電 0°、90°、180°、270°四個(gè)相位以表 1 所示中的實(shí)驗(yàn)電壓各打 10 次浪涌。按國標(biāo)方法測試，這款電壓能達(dá)到浪涌 4kV等級。

1.5 浪涌等級理論分析

浪涌測試4kV未損壞,那么電容損壞是否真的和浪涌無關(guān)?電源電路原理如圖9所示,電源輸入端未使用鉗位器件,雖然浪涌測試4kV未損壞,那么他的設(shè)計(jì)能達(dá)到多少kV?進(jìn)一步驗(yàn)證,打浪涌2kV時(shí),電容兩端電壓峰值491V、平臺(tái)電壓417V,波形如圖10所示。

那么400V的電解電容能扛多高的浪涌電壓，這和電容鋁箔耐壓有密切關(guān)系,查閱《GB/T 5993電子設(shè)備用固定電容器第4部分:分規(guī)范固體和非固體電解質(zhì)鋁電容器》其中規(guī)定對大于315額定電壓的電容器浪涌電壓為額定電壓或類別電壓的1.10倍,那么額定400V耐壓的電容國標(biāo)規(guī)定浪涌電壓是440V。同時(shí)查閱電解電容規(guī)格書,浪涌電壓是450V,如圖11所示。

顯然電源浪涌2kV時(shí),電容上的實(shí)測浪涌電壓已超電容規(guī)格書。固此電源雖然浪涌4kV測試未損壞、但是設(shè)計(jì)還達(dá)不到2kV要求,反復(fù)承受超額浪涌電壓有鼓爆風(fēng)險(xiǎn)。下面進(jìn)—步用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證風(fēng)險(xiǎn)。取庫存電源(6~7#)做浪涌4kV測試,按國標(biāo)要求在0°、90°、180°、270°4相位各打10次記1輪。兩個(gè)電源分別在測試第4輪、第5輪時(shí)損壞,解剖如圖12所示,電解電容Cl鼓包漏液、與市場不良品現(xiàn)象一致。

電源浪涌等級評估并非按國標(biāo)要求測試未損壞即可；需要分析電路原理圖、評估浪涌主回路上元器件的電壓應(yīng)力及電流應(yīng)力要在規(guī)格范圍內(nèi)。

2浪涌設(shè)計(jì)誤區(qū)

電源適配器，常用兩種防止浪涌方案：一是使用熔斷電阻器、二是使用電壓鉗位器件。

2.1 采用熔斷電阻器方案

在浪涌指標(biāo)不高于 1KV 的小功率電源中，由于滿載工作時(shí)市電端的電流小，常用熔斷電阻器(線繞易熔電阻)替代保險(xiǎn)絲，其阻值可用 5Ω甚至更大，達(dá)到電源防浪涌目的。

此方案對熔斷電阻器的選用有兩個(gè)要點(diǎn)：抗浪涌等級低、在浪涌測試時(shí)電阻會(huì)熔斷開路；抗浪涌等級太高側(cè)無法起到有效保護(hù)作用、浪涌極限測試時(shí)有火花、燃

爆風(fēng)險(xiǎn)。固熔斷電阻器的阻值及抗浪涌等級需適中、并非抗浪涌等級越高越好。

2.2 采用電壓鉗位器件方案

這是比較常見的方案，使用浪涌放電管及壓敏電阻均能抑制電源端口處的浪涌電壓。其中壓敏電阻更為常用，它在一定的溫度下電導(dǎo)值隨電壓的增加而急速增大，下文針對壓敏電阻選用進(jìn)行分析。

2.2.1 方案選擇誤區(qū)

在國內(nèi)市電 220V 環(huán)境下使用、常用的有 10D471(壓敏電壓 470V)和 10D561(壓敏電壓 560V)兩款壓敏電阻，有的工程師為了提高電源的抗浪涌電壓，會(huì)選 560V 的壓敏電阻，那么是否果真如此？我們用松下兩款壓敏電阻的指標(biāo)進(jìn)行對比。

2.2.2 壓敏電阻關(guān)鍵指標(biāo)及選型分析

壓敏電壓：壓敏電阻通過 1mA 直流電流時(shí)的電壓。此電壓越大、鉗位電壓也越大。

鉗位電壓：壓敏電阻施加規(guī)定的 8/20us 波沖擊電流時(shí)，壓敏電阻上的電壓。此電壓越大、后級電路需要承受越高的殘壓。

通流量 (最大沖擊電流)：指壓敏電阻能承受的8/20us 波的最大沖擊電流峰值。壓敏電阻的直徑越大、通流量也越大。

所以，相同的防浪涌電路、要提高浪涌等級，需要采用流通量大的壓敏電阻、而不是高壓敏電壓的規(guī)格。采用高壓敏電壓的壓敏電阻，會(huì)導(dǎo)致后級電路承受高的殘壓、殘壓超過橋堆、電解電容的浪涌電壓，則有失效風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.3 不同壓敏電壓的殘壓對比

取9V/2.5A帶壓敏電阻MOV1的電源，原理圖如圖13所示，浪涌實(shí)驗(yàn)時(shí)測壓敏電阻兩端殘壓及后級電解電容C1上電壓,為了便于對比,浪涌測試相位統(tǒng)一取90°。

浪涌測試時(shí)，同時(shí)記錄峰值與平臺(tái)電壓如圖14所示,浪涌對比數(shù)據(jù)如表3所示。
表3壓敏電壓470V與560V的對比

2.2.4 小結(jié)

顯然，使用 10D471(壓敏電壓 470V)的壓敏電阻比10D561(壓敏電壓 560V)，更能有效抑制浪涌騷擾，后級電解電容的浪涌電壓也更低。

3結(jié)束語

評測浪涌性能，按國標(biāo)要求做測試的同時(shí)，需要結(jié)合電路原理圖分析浪涌電流通道上元器件的浪涌電壓是否超標(biāo)。對于壓敏電阻的選用，要提高浪涌指標(biāo)需采用通流量(最大沖擊電流)高的規(guī)格；壓敏電壓選用 560V 會(huì)導(dǎo)致后級器件承受浪涌電壓變高，在國內(nèi)使用建議壓敏電壓選用 470V、可有效抑制電源后級器件的浪涌電壓。

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