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        開關電源輸入端繼電器觸點短路失效分析

        發布時間:2021-10-18 責任編輯:wenwei

        【導讀】開關電源產品有一個重要的性能指標為輸入沖擊電流,該指標通常要往小的方向設計,常規設計是在開關電源輸入端的火線上串聯一個熱敏電阻(NTC),而對于功率較大的開關電源則同時在熱敏電阻(NTC)上并一個繼電器,用于產品穩定工作時減少器件損耗和提高可靠性。本文重點分析并入繼電器后發生觸點短路失效的原因,通過原理、實驗測試、驗證及繼電器材料方面,詳細解析繼電器在電路設計應用過程中的問題點,為繼電器在開關電源產品上的設計提供參考。


        失效現象及來源


        實際工程設計中,把圖1的PFC電路設計到產品上,測試發現沖擊電流超標(設計目標≤25A),到達70A。本方案中,熱敏電阻RT1的阻值為10Ω,理論上計算,按照輸入電壓為90VAC,即在相位90°或270°時,有最大的輸入峰值電壓為90*√2≈127V,輸入最大峰值電流(輸入沖擊電流)為Imax=127/10=12.7A,測試結果和理論計算完全偏離。


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        圖1 PFC電路


        結合圖1分析,影響輸入沖擊電流的器件主要是熱敏電阻RT1和繼電器K1,有以下4種組合情況:①熱敏電阻開路和繼電器未吸合,此時輸入屬于開路狀態,產品應該無輸入;②熱敏電阻開路和繼電器吸合,輸入電流經過繼電器直接給到后端電路,熱敏電阻在電路中不起作用,輸入沖擊電流大;③熱敏電阻正常和繼電器未吸合,輸入電流經過熱敏電阻給到后端電路,輸入沖擊電流受抑制而減少;④熱敏電阻正常和繼電器吸合,輸入電流主要經繼電器給到后端電路,熱敏電阻在電路中不起作用,輸入沖擊電流大;對熱敏電阻和繼電器進行檢測,結果為熱敏電阻阻值正常,繼電器在沒有供電的情況下常開點處于吸合狀態,也就是繼電器為異常器件。更換新的繼電器后,測得的沖擊電流僅為7.4A。之前產品測試沖擊電流超標屬于第④種情況,輸入電流主要經繼電器給到后端電路,熱敏電阻在電路中不起作用,導致輸入沖擊電流大。


        電路圖1的工作原理為:繼電器K1并聯在輸入熱敏電阻RT1的兩端,由PFC電感L2的輔助繞組經過線性穩壓后供電。當開關電源上電啟動后,因為繼電器K1此時沒有供電電壓,繼電器K1處于開路狀態,輸入電流通過熱敏電阻RT1給大電解電容C8充電,從而限制了開機的輸入沖擊電流。當功率管Q1接收的驅動信號后,PFC電感L2輔助繞組電壓建立,即繼電器K1供電電壓建立。當供電電壓達到9V左右時,繼電器開始工作,觸點閉合把熱敏電阻RT1短路,降低產品工作時的輸入線路阻抗,減少損耗,提高產品的效率。


        繼電器觸點短路失效的原因


        對于繼電器未供電,常開點已經吸合的情況,即繼電器觸點短路失效,一般存在以下三種可能,下面對以下三種可能原因一一進行分析排查:


        ① 繼電器動作頻率過高,使用次數已超過繼電器所能承受的開關次數;

        ② 繼電器所處環境溫度過高;

        ③ 繼電器流經浪涌電流過大。


        通過對圖1電路工作原理的分析和實際監測繼電器K1觸點兩端電壓,繼電器K1僅在上電過程中動作,正常工作后觸點不會再有開關動作,因此繼電器K1的開關次數僅與人為輸入的開關次數有關。通過查閱繼電器的規格書可知,該繼電器的使用次數為1*104次,產品還在調試階段,不可能達到1*104次,所以不是使用次數超過壽命的原因導致。


        2.jpg圖2 繼電器觸點穩態電流波形

        【黃色為輸入電壓,藍色為繼電器觸點電流】


        通過實際測量,如圖2,該繼電器工作時觸點電流約3A,繼電器環境溫度為83℃。查閱本款應用的繼電器規格書標明環境耐溫參數為10A/85℃,通入電流7A時可用于105℃,對比實際使用的環境和電流,可以排除由于使用環境溫度過高的原因導致。


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        圖3 繼電器觸點導通波形

        【黃色為輸入電壓,藍色為繼電器觸點電流】


        繼電器K1后端負載為感性負載(L1、L2)及容性負載(C1、C2、C8),實測繼電器K1觸點電流,如圖3所示。從圖中可以發現繼電器K1觸點在導通后的一段時間內出現了尖峰電流,最大尖峰Imax=39.4A。繼電器規格參數最大耐電流10A,而在調試產品時經過多次開機產生的浪涌電流沖擊(39.4A)會使觸點處損傷進而導致粘合失效。


        繼電器吸合中出現浪涌電流的原因


        通過排查,了解了繼電器觸點短路失效的原因是繼電器流經浪涌電流過大,那么在圖1的電路中,是什么原因引起繼電器吸合中出現浪涌電流,對以下可能導致浪涌電流的器件進行監測和分析:


        ① 是否PFC電感L2飽和;

        ② 是否L1差模電感飽和;

        ③ 是否π型濾波電容C1太大;

        ④ 是否PFC限制鉗位電流太大。


        監測PFC電感L2啟機電流如圖4,此時PFC電感電流被削頂即PFC電流受到限制鉗位于13.1A,PFC電流波形良好,且B<0.32,實測通入13A電流時,電感感量為180uH(L2標稱電感量為190uH),PFC電感未飽和,見圖5。


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        圖4 監測PFC電感L2啟機電流


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        圖5 PFC電感未飽和


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        圖6 飽和電流


        L1差模電感參數為200uH/48Ts/0.7mm,實測其飽和電流如圖6,當通入13.1A電流(PFC啟動時被鉗位的電流)時感量只有為12.5uH,電感感量急劇下降,已經出現了飽和現象。此時π型濾波的電感L1已無法對PFC啟動過程中流過繼電器K1的電流進行有效濾波。更換差模電感L1,選用飽和電流更大的差模電感(飽和電流約16A/200uH),測試其觸點電流,導通瞬態電流8A,導通后電流尖峰最大17.4A,觸點電流尖峰明顯減小,更換前如圖7和更換后如圖8。


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        圖7 更換前觸點電流


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        圖8 更換后觸點電流

        【綠色為C8電容電壓,紅色為繼電器觸點電流】


        C1為π型濾波電路的第一個電容,輸入電壓直接對C1進行充電,會產生畸變脈沖充電電流。電容越大,畸變電流脈沖越大,從而導致繼電器的觸點電流峰值越大。在措施L1差模電感更換的基礎上減小C1容值由474/450V改為683/450V,測試繼電器觸點電流,發現繼電器觸點電流最大8.6A,電流尖峰明顯進一步減少(之前為17.4A),如圖9。


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        圖9 PFC升壓時電流電壓波形

        【綠色為C8電容電壓,紅色為繼電器觸點電流】


        PFC控制IC啟動過程:大電解電容C8升壓過程中,PFC控制IC驅動輸出的占空比會由0升至最大Ton max,如圖10。PFC電流逐漸達到PFC電流采樣限制從而被鉗位如圖4。PFC啟機鉗位電流與PFC電流采樣電阻有關,實際工程設計中PFC電流采樣電阻R=22mΩ,PFC鉗位電流約13.1A。增大R=40mΩ,鉗位電流減小,沖擊電流尖峰減小,同時也可增大L1在啟機時的感量,增大PFC π型濾波效果,如圖11,觸點電流尖峰最大9.6A。PFC電流采樣電阻直接和產品的過流能力有關,一般情況下,過流點設計好后,不建議改動此電阻。


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        圖10 PFC啟動


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        圖11 繼電器觸點電流波形


        綜上所述,輸入端繼電器閉合后出現較大沖擊電流可總結如下:PFC電流采樣電阻小即過流點大,PFC開始工作時(升壓)輸入電流達到鉗位點的電流大;π型濾波的差模電感如果出現飽和的情況,會失去對電流的抑制作用;濾波電容C1電容值越大,畸變電流脈沖越大。


        繼電器在開關電源產品上的設計參考


        ① 輸入端的π型濾波電路:選用飽和電流更大的差模電感,同時減小π型濾波第一個電容容值

        ② 增大PFC電流采樣電阻,減小PFC鉗位電流(這點要和產品需求的過流能力平衡)


        除了從電路上對參數進行優化外,繼電器的選型也很關鍵,這里介紹下繼電器觸點材料不同在應用上的差異。例宏發繼電器型號為HF46F-G系列,其規格書中給出繼電器觸點材質分為兩種材料:AgSnO2和AgNi,即:HF46F-G/XXT(帶T)觸點材料為AgSnO2;HF46F-G/XX(不帶T)觸點材料為AgNi。該系列的規格書中對不同材料觸點的應用也做了區分,如下:


        ① AgSnO2常用于容性負載、感性負載、馬達負載等會產生浪涌電流的應用場合。

        ② AgNi常用于阻性負載,電流穩定的場合。


        那么,對于開關電源輸入端使用的繼電器應用,后端實際負載一般都會有電感、電容等導致浪涌電流出現的器件,所以在選擇繼電器時就應該使用觸點材料為AgSnO2的繼電器。


        繼電器的失效一般有以下幾種:繼電器內部多余物、觸點表面污物、工藝結構不當、觸點燒蝕,粘連、銀離子遷移、外部應用導致簧片位移。


        這些失效模式大部分是由于繼電器的生產工藝控制不當引起的,因此對于繼電器生產廠家來說,改善生產環境、完善質量控制及檢驗制度對于預防繼電器頻繁失效將會起到非常關鍵的作用。此外,用戶必須依據實際使用要求,首先優選使用類型,再審慎確定所需的功能特性與物理特性(包含環境適應性要求、輸入、輸出參數、時間參數、觸點壽命、體積、重量、安裝尺寸、安裝方式、密封性等),從而選用適合的繼電器,對應避免使用過程中導致的失效也有重要意義。


        開關電源實際工作過程中,即使繼電器觸點短路失效產品也可正常工作,因此在使用過程中很難發現。而一旦繼電器觸點短路失效,較大的輸入沖擊電流就會影響產品工作的可靠性,也可能因為較大的輸入沖擊電流導致前端供電系統的異常報警。預防這種情況出現的方案是設計前期把握好電路參數的選擇和選擇符合該電路特性使用的繼電器型號。

         

        注:


        熱敏電阻(NTC):熱敏電阻是一種傳感器電阻,其電阻值隨著溫度的變化而改變。(NTC thermistor,即 Negative Temperature Coefficient thermistor 負溫度系數熱敏電阻,溫度越高,阻值越?。?。


        PFC:英文全稱為“Power Factor Correction”,意思是“功率因數校正”,功率因數指的是有效功率與總耗電量(視在功率)之間的關系,也就是有效功率除以總耗電量(視在功率)的比值。



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