精讀干貨 | 開關電源的輸出端反灌電壓產(chǎn)生與防護

摘要：本文簡述了設備中負載系統(tǒng)或是其他原因產(chǎn)生的倒灌電壓對開關電源的危害，分析了輸出倒灌電壓對開關電源中元器件的應力影響。針對不同原因產(chǎn)生的倒灌電壓對開關電源的影響，給出不同的防護方案，使得開關電源產(chǎn)品即使存在倒灌電壓的情況下，電源和系統(tǒng)仍然可靠工作。

關鍵字：開關電源；過壓保護；倒灌電壓；防護措施

一、輸出過壓保護功能和倒灌電壓差異點說明

為提高開關電源產(chǎn)品的可靠性，開關電源會設計輸出過壓保護功能，防止產(chǎn)品內(nèi)部的某個元器件損壞后，導致輸出電壓升高。而電源后端的負載只能承受一定的電壓大小，一旦輸出電壓升高，會損壞電源后端的負載。為防止此問題發(fā)生，開關電源都會設計輸出過壓保護電路，從而提升系統(tǒng)可靠性工作。

開關電源的輸出電壓過壓保護功能原理如下：

根據(jù)上圖1原理圖所示：輸出電壓Vo的計算公式如下所示：電阻R1、R2是已知參數(shù)，V_ref =2.5V

在電路中，一旦下拉電阻R2短路，根據(jù)計算公式知，Vo電壓會變?yōu)闊o窮大，一旦輸出電壓升高到一定值后，則會損壞電源的負載，導致系統(tǒng)燒壞。為防止此問題發(fā)生，在電路中增加輸出過壓保護電路。如圖2所示是輸出過壓保護電路的原理簡圖之一，其工作原理如下：一旦下拉電阻R2短路，輸出電壓往上升高，一旦輸出電壓升高到穩(wěn)壓二極管ZD1的擊穿電壓后，穩(wěn)壓二極管工作，把輸出電壓鉗位在穩(wěn)壓二極管的擊穿電壓值，防止輸出電壓繼續(xù)上升到無窮大，此時輸出電壓值被穩(wěn)壓二極管鉗位在擊穿電壓值大小，不會再上升。穩(wěn)壓二極管ZD1的規(guī)格參數(shù)值選型一般選取大于輸出電壓值2-3V即可。

圖2的過壓保護電路適用于輸出功率小于75W以下的小功率電源產(chǎn)品中，對于大功率電源產(chǎn)品，輸出過壓保護電路的設計是控制原邊IC的工作，實現(xiàn)輸出過壓保護。當產(chǎn)品過壓保護時，輸出電壓呈現(xiàn)打嗝輸出模式或是直接關斷輸出電壓，防止輸出功率過高損壞后級負載系統(tǒng)。由于電路比較復雜，在此不做原理說明。

以上主要介紹開關電源的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，負載端存在輸出電壓倒灌現(xiàn)象，損壞開關電源產(chǎn)品或是導致開關電源產(chǎn)品無法正常工作?？蛻粼诖饲闆r下就會有疑問：為啥開關電源產(chǎn)品自身有輸出過壓保護功能，產(chǎn)品還是會損壞？

在此需要特別指出：開關電源的過壓保護功能和電源防倒灌電壓功能是兩種不同的情況，不能混為一談。開關電源的過壓保護功能是電源向外的保護功能，防止外部負載系統(tǒng)損壞；而開關電源的防倒灌能力是指外部電壓對開關電源的影響力，避免產(chǎn)品的輸出端存在倒灌電壓時損壞開關電源，在此需要特別區(qū)分這兩種情況。以下圖3和圖4可以很好說明這兩種情況的差異點：

二、輸出端反灌電壓產(chǎn)生的原因和防護解決對策

在開關電源中，根據(jù)倒灌電壓產(chǎn)生的機理，輸出端存在反灌電壓的原因有如下幾種情況：

1、系統(tǒng)在不同的輸出電壓之間切換時會存在高壓電壓倒灌到低壓電源中，此問題在直流充電樁設備中比較常見；

2、開關電源的負載是感性負載，負載工作時會產(chǎn)生感應電動勢，感應電動勢生成的電壓倒灌到開關電源的輸出端；

3、在水電解氫氣和氧氣的設備中，也存在開關電源的輸出端有倒灌電壓現(xiàn)象。

下面以這三種情況的倒灌電壓為例，給出開關電源在此情況下的危害和解決方案。

例一：開關電源在直流充電樁中的應用的輸出端防倒灌電壓解決方案：

市場對新能源汽車電池充電和BMS配電系統(tǒng)有較高的要求。為給不同類型的汽車充電，要求直流充電樁中的輔助電源具有12V和24V兩種電壓值。大巴車充電系統(tǒng)的輔助電壓源供電采用24V供電，而小汽車充電系統(tǒng)的輔助電壓源供電電壓采用12V電壓值。直流充電樁和充電槍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供電系統(tǒng)的電壓在切換時，存在把24V電壓倒灌到12V的開關電源輸出端，導致12V的開關電源損壞。

在電源設計時，輸出電壓為12V的開關電源的輸出端濾波電解電容耐壓值一般選取16V的規(guī)格值，一旦24V電壓倒灌到電源的輸出端，相當于把24V電壓加到16V電解電容兩端，電解電容會因為過壓損壞，導致12V的開關電源失效。

針對以上當電壓切換時導致輸出端有倒灌電壓的問題，金升陽有對應的電源解決方案。

針對直流充電樁設備，我司有分立式方案和集中式方案兩種解決方案：針對分立式應用方案(兩只開關電源，一只輸出12V，一只輸出24V)，把輸出電壓為12V的開關電源產(chǎn)品中的輸出濾波電解電容規(guī)格值選用35V。即使在輸出端倒灌24V電壓值，電解電容也在耐壓規(guī)格值內(nèi)，不存在電解電容過壓損壞，從而解決因充電槍誤操作導致電源損壞的問題，直流充電樁中防倒灌電壓的開關電源具體型號有：LM150-20B12-BSB、LM150-20B12-CDZ、LM150-22B12-CDZ。

對于集中式應用方案(把12V和24V兩種輸出電壓集成在一個電源產(chǎn)品中，通過開關檔位選擇輸出電壓)：輸出端的電解電容是共用電解電容，因此輸出端的濾波電解電容耐壓值選取為63V的規(guī)格值，即使輸出端存在60VDC的倒灌電壓，也不會損壞輸出濾波電解電容，保證濾波電解電容可靠工作，從而保證輸出端存在倒灌電壓時，開關電源也不會損壞。對于直流充電樁設備中集中式供電的開關電源應用方案，金升陽具體型號為：LM150-12M1224-Q。

例二：開關電源在帶感性負載時輸出端防倒灌電壓解決方案：

開關電源的負載是電機、線圈等感性負載時，在電源上電一瞬間時，輸出電壓/電流加載到感性負載上，根據(jù)電磁感應定律：V = L x di/dt，

會在負載兩端生成感應電壓。感應電壓會倒灌到開關電源的輸出端。當生成的感應電壓大于開關電源的過壓保護電壓，感應電壓可能會觸發(fā)產(chǎn)品的過壓保護功能，導致產(chǎn)品輸出電壓關斷或打嗝，輸出電壓不能正常建立。

由于此感應電壓只在電源開機瞬間產(chǎn)生，倒灌電壓加載到電源輸出端的時間較短。感應電壓比較大，而電流較小，因此倒灌的功率較小。對于此問題的解決方案，可以在開關電源的輸出端和負載之間接入一個防倒灌電壓二極管，利用二極管的單相導通特性，可以有效的防止感應電壓倒灌到開關電源的輸出端。

防電壓倒灌二極管的規(guī)格選取參數(shù)如下：

1、電壓規(guī)格值要大于感應電壓值，防止倒灌電壓損壞接入的二極管；

2、由于開關電源在正常工作時，輸出電流是通過二極管流入到負載。電流流過時，二極管會因?qū)▔航诞a(chǎn)生功率損耗，使得二極管發(fā)熱。為防止二極管發(fā)熱嚴重損壞，一般二極管的電流規(guī)格選取電源額定輸出電流的(5-10)Io，并且可以在二極管上增加散熱片，以降低二極管工作時的溫升。

系統(tǒng)正常工作時，防倒灌二極管的功率損耗大小如下公式：

開關電源和負載連線之間接入防倒灌電壓的二極管解決方案框圖如下所示：

D1是防電壓倒灌二極管，紅色箭頭是電源電流正常工作的流向，綠色箭頭是倒灌電壓/電流的流向。利用二極管D1的單向?qū)ㄌ匦?，阻斷倒灌電?電流流向電源的輸出端。

在圖7中，若是開關電源正常工作時的輸出電流比較大，導致二極管的溫升較高，可以對二極管進行并聯(lián)使用，降低流過每個二極管的電流大小，從而減小二極管工作時的溫升，提高系統(tǒng)的可靠性。當然上圖中的D1也可以使用MOS管進行防止倒灌電壓，只是電路較為復雜。

例三：開關電源在水電解氫氣和氧氣的設備中輸出端防倒灌電壓解決方案：

在工業(yè)領域或醫(yī)療輔助等行業(yè)，需要使用到氧氣或氫氣情況，部分客戶對于氧氣和氫氣的生產(chǎn)采用水電解實現(xiàn)。但是水電解完成后，氧氣和氫氣會發(fā)生化學反應，在生成水的同時對外放電，此放電電壓會倒灌到系統(tǒng)前端的開關電源輸出端，導致開關電源存在倒灌電壓/電流，影響開關電源的正常工作。

案例三和案例二有所不同：在案例二中，倒灌電壓的存在時間只是在系統(tǒng)上電瞬間，系統(tǒng)正常工作后，不會再有倒灌電壓存在；而在案例三中，氧氣和氫氣會一直存在反應，生成倒灌電壓，因此倒灌電壓會持續(xù)加載到開關電源的輸出端口。對于此問題，也可以采用案例二的解決方案，只是需要在電源外加比較多的二極管，同時對于輸出電流比較大的開關電源和負載系統(tǒng)，二極管的功率損耗和溫升也是一個問題。導致方案二的效率比較低，并不適用于大功率輸出的開關電源系統(tǒng)。

對于輸出功率比較大的開關電源產(chǎn)品，輸出端防倒灌電壓的方案可以采用我司現(xiàn)有產(chǎn)品：LIR-20。

此產(chǎn)品和方案二的防倒灌電壓原理一樣，也是利用二極管的單相導電特性。和方案二相比，方案三已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)品化，并且可以用于更大功率的系統(tǒng)中。LIR-20除了可以實現(xiàn)開關電源的防倒灌電壓功能，還可以用于并聯(lián)冗余系統(tǒng)設計，提高系統(tǒng)的可靠性。三、總結(jié)

本文說明了開關電源輸出端在接入不同的負載時，由于負載特性，系統(tǒng)在工作時，負載可能會產(chǎn)生電壓，此電壓倒灌到開關電源的輸出端，影響電源和系統(tǒng)正常工作，甚至會損壞開關電源。本文根據(jù)開關電源在實際應用過程中的三個案例，通過對倒灌電壓產(chǎn)生的機理分析，給出不同的防倒灌電壓解決方案。

由于開關電源在各行各業(yè)廣泛應用，輸出端的倒灌電壓產(chǎn)生機理可能有所差異，但解決方案原理基本相似：在開關電源的輸出端和負載之間增加防倒灌二極管，利用二極管的單向?qū)ㄌ匦?，解決倒灌電壓影響開關電源和系統(tǒng)工作問題。

詳細產(chǎn)品技術參數(shù)請參考技術手冊：