原创 开关电源电路的可靠性保护设计

开关电源是各种电子整机保证电子能量供给的基本电路，由于输入时必须使用交流电源，因此，输出的直流电在必须保证足够的功率时，直流电流中仍然存在着高分量的交流信号。此交流信号也叫交流纹波，其值的大小取决于前级整流电源的性能和回路中电路阻抗的大小。由于输出时必须保证直流信号中的交流信号波幅尽可能小，而且输出的直流电流峰值必须能够满足一定频率的功率要求，因此，在输入和输出端一般必须并联足够容量和耐压的电容器，在滤波的同时能够起到脉冲充放电的需求。由于功率密度的要求，在此处使用的电容器必须使用容量较大的电容器，而容量较大的电容器目前只有电解电容器的能量密度可以达到此要求。一般使用的电解电容器只有铝电容器和钽电容器可以满足体积容量比和性能要求。由于电解电容器属于极性元器件，不能承受反向电压，而直流输出中存在的交流纹波相当于反向电压，因此，在通过较大的交流纹波时，电容器会发热。在电容器本身阻抗和交流纹波之间的合适比例被打破时，电容器非常容易出现热击穿现象。因此必须使用等效串联电阻[ESR]尽可能低的电容器才能够耐受更高的交流纹波值。也就是说对开关电源电路的可靠性影响最大的是电容器的具体性能。电容器的具体性能对此类电路可靠性还有致命影响的是电容器的耐压值；由于此类电路在开关的瞬间还存在着波幅非常大的浪涌电压和浪涌电流，而且由于其持续时间极短[持续时间与与冲击力成反比]，所以其对电容器介质层的冲击力非常大，这有点类似于爱因斯坦的质能公式；E=MC2，当质量一定时一定质量的物体的能量等于质量和光速的平方的乘积。当浪涌电流值一定时其冲击力等于冲击时间的平方的倒数。因此，使用在此类电路的电容器都必须大幅度降额才可以保证安全使用。这就是钽电容器使用到此类电路中时必须降额到额定电压的1/3的根本原因。

片式钽电容器各壳号产品的体积是一个已经统一的国际标准，因此在一定的体积内其可以储存的能量是有限的，受到生产技术水平的限制，有时候，当容量一定时，可以选择的额定电压受到严格限制，特别是一些边缘规格，实际上很难把耐压做的更高，因此，有些用户就只能选择耐压明显不能达到安全要求的产品，使用的直流电压甚至达到额定电压的1/2甚至更高。此现象在高功率密度的电源设计上非常普遍。此时，如果想保证电容器在高额浪涌时仍然不失效，还有一个办法，那就是给此电路增加一个简单的保护电路，此电路如下图所示；

如上图所示，如果在电路的输入端并联一个小容量高电压的电容器，把电容器另一端与一个可以平滑接入的TFT开关相连，在浪涌产生时，由于电容器的极化还没有完成[浪涌产生的时间在1微秒以内，而电容器的极化时间最快在几百豪秒以上]，因此浪涌不能马上被接入电路，由于浪涌持续的时间极断，因此，当浪涌过去时，电路才被接通，这样，危险的浪涌冲击就被明显抑制，从而保护了电容器及其它功率性器件可以不受到过高电压和过大电流的冲击而失效。此时输入的高功率电压和电流信号要平滑的多，对电路的保护就这样完成了。

对于开关电源电路中存在的浪涌对电路元件的可靠性影响在2000年之前认识不足是一个世界性的普遍问题，由于其持续时间达到纳秒级，使用一般的滤波器根本不能测量到，因此，许多人对这一基本电路特征认识远远不够，即使是现在，还有很多电路设计者对此危害认识肤浅。此前生产的电子整机不论是消费类产品还是工业产品的整机可靠性都受到严重影响；举一个实例；过去我们和日本生产的电视机的安全性标准是8000小时，而现在是20000小时，电视机可靠性的提高实际上并不因为都是电子元件的可靠性提高了很多，而是现在的电路设计充分考虑到了电路中浪涌的危害，因此，在电源部分加装了一个保护电路，此保护电路有效地防止了浪涌冲击对电子整机的可靠性破坏。现在的电视机在开机后不是象过去那样，开机时通的一声，荧光屏上马上出现亮点[此现象就是浪涌导致的]，而是稍后才逐渐显示。此类的例子不胜枚举。特别是所有的笔记本电脑都加有保护电路,在其它的电子整机电源部分加装保护电路在国外生产的产品上已经成为普遍现象。而在国内的一些用户设计的电源模块上,仍然有很多人由于对此没有清醒的认识而不加任何保护. 单靠加装保险丝实际上根本不能避免浪涌对电源可靠性的影响.

此电路也叫延时电路，也叫软启动电路，也有人叫保护电路。其实它们都是一样的原理。

根据大量的实验，加装保护电路的电子整机的可靠性至少要增加2倍以上，有时候更高。对于大量使用片式钽电容器的开关电源电路，即使是产品已经大幅度降额，也能够显著提高电路的可靠性。在使用电压偏高时，加装保护电路对可靠性的影响更是决定性的