陜西開關電源輸出端反充電壓的產生與保護

一、輸出過壓保護功能及反向電壓差異點說明

　　為了提高開關電源產品的可靠性，開關電源會設計輸出過壓保護功能，防止產品內部某個元器件損壞后輸出電壓上升。電源后端的負載只能承受一定的電壓，一旦輸出電壓升高，就會損壞電源后端的負載。為了防止這個問題，開關電源將設計一個輸出過壓保護電路，以提高系統的可靠性。

　　開關電源輸出電壓過壓保護功能的原理如下：

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

　　V0=[R1/R2 1] x Vref

　　在電路中，一旦下拉電阻R2短路，根據計算公式，Vo電壓將變為無窮大。一旦輸出電壓上升到一定值，電源的負載就會損壞，系統就會燒壞。為了防止這一問題，電路中增加了一個輸出過壓保護電路。圖2是輸出過壓保護電路的原理圖之一。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窮大。此時，輸出電壓值將被齊納二極管箝位在擊穿電壓值，不再上升。一般來說，穩壓二極管ZD1的規格參數值比輸出電壓值高2-3V。

　　圖2所示過壓保護電路適用于輸出功率小于75W的小功率電源產品。對于大功率電源產品，輸出過壓保護電路的設計是為了控制初級IC的工作，實現輸出過壓保護。產品過壓保護時，輸出電壓處于打嗝輸出模式或直接關斷輸出電壓，防止輸出功率過高損壞后續負載系統。因為電路比較復雜，這里就不解釋原理了。

　　以上主要介紹了開關電源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電源時，負載端輸出電壓向后，損壞開關電源產品或導致開關電源產品無法正常工作。這種情況下，客戶會產生一個疑問：為什么開關電源產品本身具有輸出過壓保護功能，產品還是會損壞？

　　需要指出的是，開關電源的過壓保護功能和電源的反壓保護功能是兩種不同的情況，不能混淆。開關的過壓保護功能是電源的向外保護功能，防止外部負載系統受損；開關電源的抗反向能力是指外部電壓對開關電源的影響，以避免產品輸出有反向電壓時開關電源的損壞。在這里，有必要區分這兩種情況。下面的圖3和圖4可以很好地說明這兩種情況的區別：

　　二、輸出端反充電壓產生的原因及保護對策

　　在開關電源中，根據反向電壓產生的機理，在輸出端產生反向電壓有幾種原因：

　　1.系統在不同輸出電壓之間切換時，高壓會回流到低壓電源，這是DC充電樁設備的通病；

　　2.開關電源的負載為感性負載，負載工作時會產生感應電動勢，感應電動勢產生的電壓會回流到開關電源的輸出端；

　　3.在氫氧水電解設備中，開關電源輸出端也存在反向電壓現象。

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

　　例1:開關電源在DC充電樁中的應用輸出端抗反向電壓解決方案：

　　市場上對新能源汽車的電池充電和BMS配電系統有很高的要求。為不同類型的車輛充電，要求DC充電樁中的輔助電源有12V和24V兩個電壓值。公交車充電系統的輔助電壓源由24V供電，而汽車充電系統的輔助電壓源由12V供電。DC充電樁和充電槍的應用方案框圖如下圖5和圖6所示。

　　在實際應用中，當12V和24V電源系統的電壓切換時，24V電壓倒回到12V開關電源的輸出端，導致12V開關電源損壞。

　　在電源設計中，輸出電壓為12V的開關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，就相當于在16V的電解電容兩端加了24V的電壓，電解電容就會因為過壓而損壞，導致12V的開關電源失效。

　　為了解決電壓切換時輸出端反向電壓的上述問題，楊進生提供了相應的電源解決方案。

　　對于DC充電樁設備，我公司有兩種解決方案：分立方案和集中方案。對于分立應用方案(兩個開關電源，一個12V輸出，一個24V輸出)，12V輸出電壓的開關電源產品中輸出濾波電解電容的規格值為35V。即使在輸出端倒回24V電壓，電解電容也在耐壓規范值內，電解電容不存在過壓損壞，解決了充電槍誤操作造成的電源損壞問題。DC充電樁防反壓開關電源具體型號為：LM150-2B12-BSB、LM150-2B12-CDZ、LM150-22B12-CDZ。

　　對于集中應用方案(將12V和24V輸出電壓集成在一個電源產品中，通過切換檔位來選擇輸出電壓):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的規格值，即使輸出端有60VDC的反向電壓也不會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，保證開關電源在輸出端有反向電壓時不會損壞。 DC充電樁設備集中供電的開關電源應用方案，楊進生具體型號為LM 150-12m 1224-Q示例2:防止帶感性負載的開關電源輸出反向電壓的解決方案：

　　當開關的負載是諸如電動機或線圈的感性負載時，當電源接通時，輸出電壓/電流被加載到感性負載上。根據電磁感應定律：V=L x di/dt，

　　負載兩端產生感應電壓。感應電壓將回流到開關電源的輸出端。當產生的感應電壓大于開關電源的過壓保護電壓時，感應電壓可能會觸發產品的過壓保護功能，導致產品的輸出電壓關斷或打嗝，輸出電壓無法正常建立。

　　因為感應電壓僅在通電時產生，所以反向電壓加載到電源輸出端的時間很短。感應電壓比較大，但是電流比較小，所以反向功率比較小。為了解決這個問題，可以在開關電源的輸出端和負載之間連接一個抗反向電壓二極管，二極管的單相導通特性可以有效地防止感應電壓回流到開關電源的輸出端。

　　電壓回流防止二極管的規格選擇參數如下：

　　1.電壓規格值應大于感應電壓值，以防止反向電壓損壞連接的二極管；

　　2.當開關電源正常工作時，輸出電流通過二極管流入負載。當電流流過時，二極管會因導通壓降而產生功率損耗，導致二極管發熱。為了防止二極管受熱嚴重損壞，一般二極管的電流規格為電源額定輸出電流的(5-10)Io，可以在二極管上加一個熱沉，降低二極管工作時的溫升。

　　系統正常工作時，防反向二極管的功率損耗如下：

　　p損失=VF * I0

　　(VF:二極管導通壓降；0:流過二極管的電流)

　　用于在電源和負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的單向導通特性用于阻止反向電壓/電流流向電源的輸出端。

　　在圖7中，如果開關電源的輸出電流在正常操作期間相對較大，導致二極管的溫升較高，則可以并聯使用二極管來減少流經每個二極管的電流，從而減少操作期間二極管的溫升，并提高系統的可靠性。當然，上圖中的D1也可以用MOS管來防止反向電壓，只是電路比較復雜。

　　例3:氫氧水電解設備中開關電源輸出反反向電壓的解決方案：

　　在工業領域或醫療輔助行業，需要氧氣或氫氣，也有客戶利用水電解生產氧氣和氫氣。但是，水電解后，氧氣和氫氣會發生化學反應，同時會生成水，并排放到外界。這個放電電壓會回流到系統前端開關電源的輸出端，造成開關電源的反向電壓/電流，影響開關電源的正常工作。情況3和情況2不同：情況2中，反向電壓的存在時間只有系統上電時，系統正常工作后不會有反向電壓；在第三種情況下，氧氣和氫氣總會反應產生反向電壓，所以反向電壓會持續加載到開關電源的輸出端口。對于這個問題，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，對于輸出電流較大的開關電源和負載系統，二極管的功率損耗和溫升也是一個問題。結果，第二種方案的效率相對較低，并且不適合于具有高功率輸出的開關電源系統。

　　對于高輸出功率的開關電源產品，防止輸出端反向電壓的方案可以采用我們現有的產品：LIR-20。

　　該產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電性。與第二種方案相比，第三種方案已經商業化，可以用于更高功率的系統。LIR-20不僅可以實現開關電源的抗反向電壓功能，還可以用于并聯冗余系統設計，提高系統的可靠性。