廣東中為智能防雷技術有限公司
電子設備電源電磁兼容浪涌抗擾度測試探討
摘 要：
通過電源內部鋁電解電容失效分析，提出浪涌測試不能僅按國標要求測試是否合格、還需評估浪涌回路上各器件的電壓應力、電流應力是否超額。對于浪涌設計常有兩種方案，一是采用熔斷電阻器(保險絲電阻)、二是采用電壓鉗位器件(浪涌保護器、壓敏電阻等)。在國內使用，常用的壓敏電壓規格有 470V 與560V，通過壓敏電阻關鍵參數對比及電源后級器件殘壓比較，結果表明，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
浪涌是電源的一個關鍵指標，特別是夏天雷雨多發季節，電網有感應雷產生的浪涌電壓，影響電源的可靠運行。國標 GB/T17626.5 規定的浪涌實驗可以模擬電力系統開關瞬態及雷電瞬態產生的浪涌騷擾，這對電源浪涌性能評測及設計有重要指導意義。那么除了按國標要求評測外還需要關注哪些細節？下文從浪涌指標測試及設計兩方面進行分析。
1浪涌評測誤區
1.1 案例背景
某筆記本電腦電源投入市場不到一年、售后表現不佳，在夏季集中出現無輸出故障，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。電容不良原因將分 3 類討論，一是電容自身是否不良，二是客戶使用環境是否超電壓、溫度，三是電源浪涌設計是否合理。
1.2 電容自身是否有異常
首先從不良電容內部工藝角度進行排查、其次排查鋁箔及電解液。電容內部工藝結構是否有異常:將不良電解電容解剖,分析各個部位是否存在異常。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。
(3)卷芯頂部,卷繞平齊,無異常,如圖3所示。
(4)卷尾,結構無異常,如圖4所示。
小結:電解電容內部工藝正常;在電容工作過程中有高溫導致電解質顏色變深、卷芯膠帶熔化﹔高溫產生原因需進一步確認。
鋁箔耐壓測試。取不良品鋁箔在鋁箔TV特性測試儀上測試,如圖8所示,測試方法參照"SJ/T 11140鋁電解電容器電極箔"的要求2。由于鋁箔是從成品電容中取出,測試鋁箔面積達不到標準要求,固取正常電容解剖取鋁箔,按同等條件對比測試。測試結論:兩者耐壓無明顯差異。同時統計不良電容批次信息,不良電容分布在多個批次、不良批次無規律性;相同的批次、在其他規格電源上使用、未發現電容鼓爆異常,進一步確定電容鋁箔及電解液不良可排除。
1.3 電源應用環境調查
通過售后走訪、客戶只損壞此電源，接在同一排插的其他設備均未損壞，排除電路誤接三相電網變 380V的可能。同時電源在室內使用，環境溫度在電源指標范圍內。
1.4 電源浪涌測試
進一步測試浪涌是否會損壞電源。取同一批次 5 個電源(1~5#)，按 GB/T 17626.5 浪涌(沖擊)抗擾度試驗的方法，在市電 0°、90°、180°、270°四個相位以表 1 所示中的實驗電壓各打 10 次浪涌。按國標方法測試，這款電壓能達到浪涌 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?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,那么他的設計能達到多少kV?進一步驗證,打浪涌2kV時,電容兩端電壓峰值491V、平臺電壓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系,查閱《GB/T 5993電子設備用固定電容器第4部分:分規范固體和非固體電解質鋁電容器》其中規定對大于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耐壓的電容國標規定浪涌電壓是440V。同時查閱電解電容規格書,浪涌電壓是450V,如圖11所示。
1.6 小結顯然電源浪涌2kV時,電容上的實測浪涌電壓已超電容規格書。固此電源雖然浪涌4kV測試未損壞、但是設計還達不到2kV要求,反復承受超額浪涌電壓有鼓爆風險。下面進—步用實驗驗證風險。取庫存電源(6~7#)做浪涌4kV測試,按國標要求在0°、90°、180°、270°4相位各打10次記1輪。兩個電源分別在測試第4輪、第5輪時損壞,解剖如圖12所示,電解電容Cl鼓包漏液、與市場不良品現象一致。
電源浪涌等級評估并非按國標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力及電流應力要在規格范圍內。
2浪涌設計誤區
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
在浪涌指標不高于 1KV 的小功率電源中，由于滿載工作時市電端的電流小，常用熔斷電阻器(線繞易熔電阻)替代保險絲，其阻值可用 5Ω甚至更大，達到電源防浪涌目的。
此方案對熔斷電阻器的選用有兩個要點：抗浪涌等級低、在浪涌測試時電阻會熔斷開路；抗浪涌等級太高側無法起到有效保護作用、浪涌極限測試時有火花、燃
爆風險。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值隨電壓的增加而急速增大，下文針對壓敏電阻選用進行分析。
2.2.1 方案選擇誤區
在國內市電 220V 環境下使用、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進行對比。
2.2.2 壓敏電阻關鍵指標及選型分析
壓敏電壓：壓敏電阻通過 1mA 直流電流時的電壓。此電壓越大、鉗位電壓也越大。
鉗位電壓：壓敏電阻施加規定的 8/20us 波沖擊電流時，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格。采用高壓敏電壓的壓敏電阻，會導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，則有失效風險。
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，浪涌實驗時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,浪涌測試相位統一取90°。
表3壓敏電壓470V與560V的對比
2.2.4 小結
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結束語
評測浪涌性能，按國標要求做測試的同時，需要結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。對于壓敏電阻的選用，要提高浪涌指標需采用通流量(最大沖擊電流)高的規格；壓敏電壓選用 560V 會導致后級器件承受浪涌電壓變高，在國內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。
