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方案

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【干貨】電源適配器雷擊設(shè)計寶典



雷擊是常見的物理現(xiàn)象,也是電源適配器主要的電壓應(yīng)力來源。如果防護不當會造成電源損壞或重啟,從而影響電子設(shè)備正常工作,因此電源適配器需滿足安規(guī)標準定義的雷擊電壓等級要求。

本期芯朋微技術(shù)團隊將為大家分享雷擊標準、雷擊實驗配置、差及共模干擾路徑分析和設(shè)計原則。




雷擊標準


IEC61000-4-5為常用的雷擊測試標準,其定義及實驗規(guī)程如下:


  圖1 IEC61000-4-5雷擊測試開路電壓波形


 圖2 IEC61000-4-5雷擊測試短路電流波形


一般情況下,在交流線路上施加±1kV~±6kV的浪涌電壓。試驗源為測試設(shè)備(EUT)的交流線路和系統(tǒng)外殼的接地點。測試過程中,EUT直接暴露在浪涌能量下,必須完好無損,雷擊測試完成后,還能繼續(xù)正常工作。


IEC 61000-4-5實驗規(guī)程





雷擊實驗的配置



圖3 差模雷擊配置示意圖



圖4 共模雷擊配置示意圖


雷擊發(fā)生器內(nèi)部有2個模塊,分別是解耦網(wǎng)絡(luò)和耦合網(wǎng)絡(luò)。解耦網(wǎng)絡(luò)的作用是將耦合網(wǎng)絡(luò)施加到EUT相線上的雷擊能量與供電的相線隔離開。耦合網(wǎng)絡(luò)的作用是通過耦合電容將理想的雷擊發(fā)生波施加到EUT的相線上。
如圖3所示:差模雷擊的耦合能量在EUT的相線L和N之間傳遞。而通過圖4可以發(fā)現(xiàn)共模雷擊的耦合能量在EUT的相線L(N)和PE之間傳遞。




 差模干擾路徑分析及設(shè)計原則


路徑分析

圖5 差模雷擊電流示意圖


由于不同的實際電路配置會對系統(tǒng)差模雷擊分析產(chǎn)生不同影響,因此,我們通過上圖電路對差模雷擊的影響做一個簡要的分析。
  1. 差模雷擊能量通過耦合網(wǎng)絡(luò),輸入EUT的相線L和N,保險絲F1,和壓敏MOV1形成回路1,產(chǎn)生差模電流1;

  2. 差模雷擊能量通過回路1衰減后,經(jīng)熱敏電阻RT1,整流橋,電解電容EC1形成回路2,產(chǎn)生差模電流2;

  3. 差模雷擊能量通過回路1和2衰減后,經(jīng)差模電感L1,電解電容EC2形成回路3,產(chǎn)生差模電流3。


設(shè)計原則
  1. MOV1的加入可以吸收差模電流1的能量,保護整流橋BD1和電解電容EC1和EC2?;芈?相當于雷擊浪涌能量的第1道防洪壩,由于該回路電流較大,PCB銅箔寬度建議0.5mm/kV;

  2. 高阻值的負溫度系數(shù)熱敏電阻RT1的加入可以分擔差模電流2施加到EC1上的能量,保護整流橋BD1和電解電容EC1,回路2相當于第2道防洪壩;

  3. 輸入差模電感的阻抗可以分擔差模電流3施加到EC2上的能量,回路3相當于第3道防洪壩,由于EC2上存在幾百伏的雷擊能量殘壓,所以原邊功率管建議采用高雪崩耐量功率MOSFET。

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實驗結(jié)果

基于PN8390的12V1.5A適配器,4kV(90°)差模雷擊測試如下圖所示

圖6 4kV差模雷擊測試波形圖

由測試波形可見:EC1最高電壓756V,EC2最高電壓556V,PN8390最高電壓779V。
因此,為提高電源適配器的抗差模雷擊能力,除合理選擇MOV和NTC電阻外,應(yīng)選擇高鋁箔電壓電解電容和高雪崩耐量功率MOSFET。





  共模干擾路徑分析及設(shè)計原則

路徑分析

圖7 雷擊共模電流的流向圖


共模雷擊發(fā)生時兩路主要的共模電流路徑(以負電壓為例):

  1. 共模電流1:雷擊能量施加到輸出的地,通過輸出共模電感→次級參考地→CY1→輸入電解電容的正→整流橋→輸入共模電感→L線或N線。

  2. 共模電流2雷擊能量施加到輸出的地,通過輸出共模電感→次級參考地→輸出電解的正→變壓器→輔助繞組的地→輸入電解電容的負→整流橋→輸入共模電感→L線或N線。


設(shè)計原則



1、考慮共模電流路徑因素,優(yōu)化PCB布線:輸入共模和Y電容增加放電針,原邊控制器的地與變壓器的地分別接到輸入電解電容負極,同步整流芯片的地與Y電容的地分別接到輸出電解電容負極;

2、為了防止共模電流干擾同步整流芯片,優(yōu)先選用雙供電同步整流芯片,如PN8309H,并在Vin腳串聯(lián)10~22Ω電阻;

3、為了防止共模電流干擾原邊主控芯片,應(yīng)在Vdd供電回路串聯(lián)電阻,將Vdd電解電容緊靠芯片引腳,并增加100nF去耦電容。



實驗結(jié)果
基于PN8309H的12V3A適配器6.6kV模雷擊測試如下圖所示:

圖8 6.6kV共模雷擊測試波形圖

由測試波形可見,PN8309H的SW、Vin、Vcc電壓分別為161V、25V、19V。
因此,為提高電源適配器的抗共模雷擊能力,除合理Layout和增加濾波電容外,優(yōu)先選用雙供電及集成高雪崩耐量MOSFET的同步整流芯片。
結(jié)束語

電源抗雷擊能力設(shè)計是困擾不少電源工程師的難題之一,最佳的設(shè)計原則是合理的PCB走線,加上更優(yōu)的器件選型。一旦出現(xiàn)雷擊失效,則需要從失效瞬態(tài)工作波形入手,結(jié)合原理分析和器件特性,找出根因并加以改善。



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