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开关电源输入端继电器触点短路失效分析

2021-09-30 16:41 来源:金升阳 编辑:电源网

开关电源产品有一个重要的性能指标为输入冲击电流,该指标通常要往小的方向设计,常规设计是在开关电源输入端的火线上串联一个热敏电阻(NTC),而对于功率较大的开关电源则同时在热敏电阻(NTC)上并一个继电器,用于产品稳定工作时减少器件损耗和提高可靠性。本文重点分析并入继电器后发生触点短路失效的原因,通过原理、实验测试、验证及继电器材料方面,详细解析继电器在电路设计应用过程中的问题点,为继电器在开关电源产品上的设计提供参考。

失效现象及来源

实际工程设计中,把图1的PFC电路设计到产品上,测试发现冲击电流超标(设计目标≤25A),到达70A。本方案中,热敏电阻RT1的阻值为10Ω,理论上计算,按照输入电压为90VAC,即在相位90°或270°时,有最大的输入峰值电压为90*√2≈127V,输入最大峰值电流(输入冲击电流)为Imax=127/10=12.7A,测试结果和理论计算完全偏离。

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图1 PFC电路

结合图1分析,影响输入冲击电流的器件主要是热敏电阻RT1和继电器K1,有以下4种组合情况:①热敏电阻开路和继电器未吸合,此时输入属于开路状态,产品应该无输入;②热敏电阻开路和继电器吸合,输入电流经过继电器直接给到后端电路,热敏电阻在电路中不起作用,输入冲击电流大;③热敏电阻正常和继电器未吸合,输入电流经过热敏电阻给到后端电路,输入冲击电流受抑制而减少;④热敏电阻正常和继电器吸合,输入电流主要经继电器给到后端电路,热敏电阻在电路中不起作用,输入冲击电流大;对热敏电阻和继电器进行检测,结果为热敏电阻阻值正常,继电器在没有供电的情况下常开点处于吸合状态,也就是继电器为异常器件。更换新的继电器后,测得的冲击电流仅为7.4A。之前产品测试冲击电流超标属于第④种情况,输入电流主要经继电器给到后端电路,热敏电阻在电路中不起作用,导致输入冲击电流大。

电路图1的工作原理为:继电器K1并联在输入热敏电阻RT1的两端,由PFC电感L2的辅助绕组经过线性稳压后供电。当开关电源上电启动后,因为继电器K1此时没有供电电压,继电器K1处于开路状态,输入电流通过热敏电阻RT1给大电解电容C8充电,从而限制了开机的输入冲击电流。当功率管Q1接收的驱动信号后,PFC电感L2辅助绕组电压建立,即继电器K1供电电压建立。当供电电压达到9V左右时,继电器开始工作,触点闭合把热敏电阻RT1短路,降低产品工作时的输入线路阻抗,减少损耗,提高产品的效率。

继电器触点短路失效的原因

对于继电器未供电,常开点已经吸合的情况,即继电器触点短路失效,一般存在以下三种可能,下面对以下三种可能原因一一进行分析排查:

① 继电器动作频率过高,使用次数已超过继电器所能承受的开关次数;

② 继电器所处环境温度过高;

③ 继电器流经浪涌电流过大。

通过对图1电路工作原理的分析和实际监测继电器K1触点两端电压,继电器K1仅在上电过程中动作,正常工作后触点不会再有开关动作,因此继电器K1的开关次数仅与人为输入的开关次数有关。通过查阅继电器的规格书可知,该继电器的使用次数为1*104次,产品还在调试阶段,不可能达到1*104次,所以不是使用次数超过寿命的原因导致。

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图2 继电器触点稳态电流波形

【黄色为输入电压,蓝色为继电器触点电流】

通过实际测量,如图2,该继电器工作时触点电流约3A,继电器环境温度为83℃。查阅本款应用的继电器规格书标明环境耐温参数为10A/85℃,通入电流7A时可用于105℃,对比实际使用的环境和电流,可以排除由于使用环境温度过高的原因导致。

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图3 继电器触点导通波形

【黄色为输入电压,蓝色为继电器触点电流】

继电器K1后端负载为感性负载(L1、L2)及容性负载(C1、C2、C8),实测继电器K1触点电流,如图3所示。从图中可以发现继电器K1触点在导通后的一段时间内出现了尖峰电流,最大尖峰Imax=39.4A。继电器规格参数最大耐电流10A,而在调试产品时经过多次开机产生的浪涌电流冲击(39.4A)会使触点处损伤进而导致粘合失效。

继电器吸合中出现浪涌电流的原因

通过排查,了解了继电器触点短路失效的原因是继电器流经浪涌电流过大,那么在图1的电路中,是什么原因引起继电器吸合中出现浪涌电流,对以下可能导致浪涌电流的器件进行监测和分析:

① 是否PFC电感L2饱和;

② 是否L1差模电感饱和;

③ 是否π型滤波电容C1太大;

④ 是否PFC限制钳位电流太大。

监测PFC电感L2启机电流如图4,此时PFC电感电流被削顶即PFC电流受到限制钳位于13.1A,PFC电流波形良好,且B<0.32,实测通入13A电流时,电感感量为180uH(L2标称电感量为190uH),PFC电感未饱和,见图5。

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图4 监测PFC电感L2启机电流

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图5 PFC电感未饱和

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图6 饱和电流

L1差模电感参数为200uH/48Ts/0.7mm,实测其饱和电流如图6,当通入13.1A电流(PFC启动时被钳位的电流)时感量只有为12.5uH,电感感量急剧下降,已经出现了饱和现象。此时π型滤波的电感L1已无法对PFC启动过程中流过继电器K1的电流进行有效滤波。更换差模电感L1,选用饱和电流更大的差模电感(饱和电流约16A/200uH),测试其触点电流,导通瞬态电流8A,导通后电流尖峰最大17.4A,触点电流尖峰明显减小,更换前如图7和更换后如图8。

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图7 更换前触点电流

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图8 更换后触点电流

【绿色为C8电容电压,红色为继电器触点电流】

C1为π型滤波电路的第一个电容,输入电压直接对C1进行充电,会产生畸变脉冲充电电流。电容越大,畸变电流脉冲越大,从而导致继电器的触点电流峰值越大。在措施L1差模电感更换的基础上减小C1容值由474/450V改为683/450V,测试继电器触点电流,发现继电器触点电流最大8.6A,电流尖峰明显进一步减少(之前为17.4A),如图9。

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图9 PFC升压时电流电压波形

【绿色为C8电容电压,红色为继电器触点电流】

PFC控制IC启动过程:大电解电容C8升压过程中,PFC控制IC驱动输出的占空比会由0升至最大Ton max,如图10。PFC电流逐渐达到PFC电流采样限制从而被钳位如图4。PFC启机钳位电流与PFC电流采样电阻有关,实际工程设计中PFC电流采样电阻R=22mΩ,PFC钳位电流约13.1A。增大R=40mΩ,钳位电流减小,冲击电流尖峰减小,同时也可增大L1在启机时的感量,增大PFC π型滤波效果,如图11,触点电流尖峰最大9.6A。PFC电流采样电阻直接和产品的过流能力有关,一般情况下,过流点设计好后,不建议改动此电阻。

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图10 PFC启动

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图11 继电器触点电流波形

综上所述,输入端继电器闭合后出现较大冲击电流可总结如下:PFC电流采样电阻小即过流点大,PFC开始工作时(升压)输入电流达到钳位点的电流大;π型滤波的差模电感如果出现饱和的情况,会失去对电流的抑制作用;滤波电容C1电容值越大,畸变电流脉冲越大。

继电器在开关电源产品上的设计参考

① 输入端的π型滤波电路:选用饱和电流更大的差模电感,同时减小π型滤波第一个电容容值

② 增大PFC电流采样电阻,减小PFC钳位电流(这点要和产品需求的过流能力平衡)

除了从电路上对参数进行优化外,继电器的选型也很关键,这里介绍下继电器触点材料不同在应用上的差异。例宏发继电器型号为HF46F-G系列,其规格书中给出继电器触点材质分为两种材料:AgSnO2和AgNi,即:HF46F-G/XXT(带T)触点材料为AgSnO2;HF46F-G/XX(不带T)触点材料为AgNi。该系列的规格书中对不同材料触点的应用也做了区分,如下:

① AgSnO2常用于容性负载、感性负载、马达负载等会产生浪涌电流的应用场合。

② AgNi常用于阻性负载,电流稳定的场合。

那么,对于开关电源输入端使用的继电器应用,后端实际负载一般都会有电感、电容等导致浪涌电流出现的器件,所以在选择继电器时就应该使用触点材料为AgSnO2的继电器。

继电器的失效一般有以下几种:继电器内部多余物、触点表面污物、工艺结构不当、触点烧蚀,粘连、银离子迁移、外部应用导致簧片位移。

这些失效模式大部分是由于继电器的生产工艺控制不当引起的,因此对于继电器生产厂家来说,改善生产环境、完善质量控制及检验制度对于预防继电器频繁失效将会起到非常关键的作用。此外,用户必须依据实际使用要求,首先优选使用类型,再审慎确定所需的功能特性与物理特性(包含环境适应性要求、输入、输出参数、时间参数、触点寿命、体积、重量、安装尺寸、安装方式、密封性等),从而选用适合的继电器,对应避免使用过程中导致的失效也有重要意义。

开关电源实际工作过程中,即使继电器触点短路失效产品也可正常工作,因此在使用过程中很难发现。而一旦继电器触点短路失效,较大的输入冲击电流就会影响产品工作的可靠性,也可能因为较大的输入冲击电流导致前端供电系统的异常报警。预防这种情况出现的方案是设计前期把握好电路参数的选择和选择符合该电路特性使用的继电器型号。

注:

热敏电阻(NTC):热敏电阻是一种传感器电阻,其电阻值随着温度的变化而改变。(NTC thermistor,即 Negative Temperature Coefficient thermistor 负温度系数热敏电阻,温度越高,阻值越小)。

PFC:英文全称为“Power Factor Correction”,意思是“功率因数校正”,功率因数指的是有效功率与总耗电量(视在功率)之间的关系,也就是有效功率除以总耗电量(视在功率)的比值。

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