金属氧化膜电阻的浪涌设计

金属氧化膜电阻的浪涌设计•先根据KOA的技术规格，给出单脉冲和重复脉冲时的设计步骤和设计要素。•然后，根据实际应用情况，分别总结出DC和AC输入时适宜的浪涌设计步骤，及所需要达到的指标。一、单脉冲设计：•单脉冲的持续时间一般小于1S。厂家KOA提供的曲线参考如下：•上述曲线中，•横坐标为时间轴time（ms），纵坐标为功率轴Po（W）。•该曲线对应的冲击波形为方形波。•当实际出现其它形状的波形时，取峰值电压（或峰值电流）计算得峰值功率Po；再通过能量等效关系，换算为在该峰值功率Po作用下的冲击时间t。•举例如下：假设实际电阻两端电压波形为指数形式，如下所示：•该波形记为，其中，Upeak为峰值电压，为时间常数。那么，根据能量关系，记换算后，方波的脉冲宽度为T，则，•可得，,即该指数电压波形对应于同样峰值电压，时间为时的方形波。teUpeaku*2*)*(*2202UpeakdteUpeakTUpeakt2T2以下为一些常见的波形，及其换算关系：实际计算举例：•某电源最大输入电压为30V，抗浪涌电阻为2个10R/3W的金属氧化膜电阻并联，Bulk电容为5个2200uf并联。可计算得电阻电压波形表达式如下：•波形参考如下：55*30teu•换算为方波，峰值电压为30V，时间为55/2＝27.5ms。即单个功率电阻10/3W，•P＝30^2/10=90W。从厂家提供的曲线中可读到，当时间为27.5ms时，允许的峰值功率约为210W，如下图所示：•KOA的技术规格中，建议将这里读取到的210W乘以60％，作为安全降额（若电阻的环境温度超过70度，则还需进一步降额使用）。即允许的峰值功率为210*0.6＝126W，大于实际的90W。因此，在该电路中，抗浪涌电阻的设计是合理的，不会出现失效现象。根据厂家KOA的技术规格，在单脉冲冲击下，抗浪涌电阻的设计流程小结如下：•1.实测或理论计算电阻上的冲击电压/冲击电流波形；（一般来说，当电阻阻值较小时，测试电流为宜；以下以电压波形为例）•2.记冲击波形的峰值电压为Vpeak，波形持续时间为t，有效值为Vrms，电阻阻值为R；•3.那么，换算成方波，持续时间：•如果冲击波形为指数衰减形式，那么，可直接得，其中，为电路的时间常数；•4.根据换算的T，从Powervstime曲线中读取对应的Po；•5.根据KOA建议，读取的Po乘以60％作为允许的峰值功率，若电阻的环境温度超过70度，则还需进一步降额处理。如果•那么，电阻在抗浪涌的设计上是合理的。22*VpeaktVrmsT2TRVpeakPo2%60*小结：•根据上述分析，实际波形需转换为方波。显然，该方法更趋向于严酷。即电阻在承受相同的能量时，若峰值功率越大，则越容易超出规格要求。因此，即使计算后超出规格，在实际应用中也不一定会出现失效，甚至是安全的。可以认为，KOA提供的曲线本身就留出了一定的裕量，过度的降额不能认为是合理的设计。关于功率降额的合理性，还需根据实际情况做进一步讨论确认：到底多大的降额可以满足我们的实际应用，或者不需要考虑降额（可以认为曲线本身、换算过程中就已经存在降额了，个人更倾向于后者，即不再需要降额，或降额值取90％以上）。当然，若按照KOA的降额标准计算，我司在设计时仍能满足要求，那么，毫无疑问，该电阻在脉冲特性上一定是非常安全的。二、重复脉冲设计：•脉冲波形参考如下：•若实际为其它波形，需根据能量等效关系，换算成方波。•在任何条件下，平均功率不能超过电阻的额定功率。•Pm：重复脉冲冲击时，单脉冲的允许峰值功率。该功率是在Po的基础上进一步降额得到的。若计算得到的Pm超过Po，那么取Po为允许的最大功率。Pm的最小值为电阻的额定功率。•在以下三种条件下，分别计算该降额Pm：•①、t2/t1200•Pm=Po•②、t2/t1200,t2100us•注：若t2/t1=200，则Pm=0.9Po；若t2/t1=100，则Pm=0.5Po。显然，重复脉冲出现的频率越高，即t2/t1越小，允许的单脉冲峰值功率Pm越小。85.0)12(**01.0ttPoPm•③、t2100us•记T1=（100/t2）*t1，根据时间T1，从曲线中读出单脉冲峰值功率Po。•注：公式里的Po对应的时间是T1。•厂家KOA建议，在上述得到的Pm乘以60％作为安全降额（若环境温度超过70度，根据规格中的降额曲线，需做进一步降额）。若实际的脉冲峰值功率小于Pm*60％，那么，电阻在该重复脉冲冲击下，设计合理。85.0)12(**01.0ttPoPm三、实际应用分析：•不同输入，不同时间常数的条件下，通过对上述规格的实际应用分析，给出一个基本的规范：一、DC输入（一般小于100Vdc）：•电阻上的电压为指数衰减波形。时间常数记为,其中，R为浪涌电阻的阻值，C为输入端的BULK电容。记最大输入电压为Vpeak。设计过程如下：CR*•①、取时间•②、根据T，读取曲线中的Po；•③、Po取降额90％～100％；（个人认为，取60％的降额过大，会引起过度设计).•④、与实际峰值功率对比，若，那么，设计合理。（若多个电阻并联，那么，计算时间常数时，需使用并联的电阻值；计算峰值功率时，需使用单个的电阻值。）2TRVpeakPo2%90*设计举例：•以某DC电源为例，输入抗浪涌电阻为22R/5W，BULK电容为220*3+1800=2460uF，最大输入电压为72Vdc，那么，计算过程如下：•①、取时间•②、根据T，可读取曲线中的Po＝380W；如下图所示：msT06.27246.2*222•③、Po取降额90％，即允许的峰值功率为380*0.9＝342W。•④、实际峰值功率为：•满足要求。•注：若取降额为60％，即允许峰值功率为380*0.6＝228W，无法满足要求。PoWRVpeak*%906.235227222二、AC输入：•电路模型简化如下：（有的电路将R放在BRG1后，这仅仅使R上的电压波形由双向变为单向而已，不影响电阻功耗及电路的整体分析）•以下分两种情况来分析：•Ⅰ、时间常数较小（5ms）：•在AC的1/4个周期内，电容电压已基本上充满。也就是说，电阻仅在5ms内承受较大的冲击，而在5ms以后，交流输入对电阻的冲击可以忽略。该现象一般出现在中、小功率电源上。•以某电源为例，假设输入电压为290Vac，电阻R为16.5欧姆，电容C为100uF，那么当交流输入初始为峰值，即交流输入表达式为sqrt（2）*290*cos（100*pi*t）时，相关波形参考如下：当交流输入初始表达式为45度相位时，波形如下：•通过对比分析、计算，在上述的电阻、电容参数条件下，在初始5ms内，当交流输入在20度相角时，电阻承受的能量最大。但是，交流输入在0度相角时，电阻承受的峰值电压最大，承受的能量比20度相角时偏小9.2％。综合分析，从严酷度考虑，应取0度相角输入来判定。（或者，两者同时考虑，换算后都需满足要求。但是，一般情况下，在能量偏差不大的情况下，峰值功率越大，应力越严酷。该结论可以从KOA提供的曲线中得到验证。）在实际换算时，可先测得实际电压波形，示波器的均方根测试值设置为两个光标之间即可。如下图所示：•测出电压的均方根值后，根据能量关系，即可换算得到方波的脉冲宽度。剩下的步骤参考“一、DC输入”中所述即可。•还需指出，通过实测来判定时存在一定的缺陷，即由于随机性、输入波形畸变等因素，无法准确得到电阻上浪涌的峰值电压。不过，可以通过多次测试，来最大限度的减小误差。当然，如果能通过理论计算得到极值，就可以给出更合理的设计。Ⅱ、时间常数较大（一般在10ms以上）•该现象一般出现在大功率电源上。交流输入需要数十个周期才能将电容充满电。•以某电源A414/A583为例：•电阻R由3个330R并联，电容为890uF，输入为290Vac，实测电阻上的冲击电压波形如下所示：•该脉冲持续时间超过800ms。•如果将上述脉冲看成单一脉冲，取理论上的峰值电压410V，则由能量转换关系：410^2*T=87.4^2*800，方波的脉宽T=36.35ms，从曲线上读得，允许的峰值功率Po为200W，•如下图所示：•实际的峰值功率为410^2/330=509.4W，已远远超过允许的峰值功率，不满足设计要求。•但是，上述电路在我司已广泛使用，且经过了大量实验，没有出现失效。这从另一个侧面说明，由能量关系换算为方波后，性能上更趋于严酷。若不加区分的遵循该原则，将造成极大的过度设计，这在我们的实际设计过程中需特别注意。将时间设置为200ms，进一步分析波形如下：•从上述波形中可以看出，电阻上的电压波形在不断的衰减，即峰值功率在不断的下降，且波形之间会出现电压过零的台阶。因此，可以考虑将上述脉冲看成不断衰减的周期性脉冲，周期为10ms。•在10ms内，通过对比分析可知，交流输入相位在0度时，对电阻的冲击最严酷。可换算得方波的脉冲宽度T＝766.75/410^2=4.6ms。从曲线中读取的功率Po约为500W。实际的峰值功率为410^2/330=509W。在不考虑降额的情况下，两者接近，可以认为满足要求。当然，若只取半周期5ms，那么计算所得的裕量更大。周期性脉冲的设计•在KOA的技术规格中，其降额过大。在实际应用中，仅可作为参考，不具备较大的可行性。根据与厂家双羽的沟通，对于周期性脉冲，在单脉冲满足规格的情况下，可测试电阻温度及平均功率，上述两项满足降额要求即可。我认为双羽的方法更具有可行性。厂家双羽的回复参考如下：AC输入时的浪涌设计小结：•一、时间常数较小（一般为小于5ms）：•电阻上累积的能量一般集中在第一个脉冲波形。可分两种方法计算：•理论计算：取交流输入的相角为0度，计算能在首个冲击波形中的能量，换算为方波的脉冲宽度。实际的峰值功率由交流输入的峰值电压决定。•实测：多次测试，取最大值。测量均方根、最大电压时，需注意示波器的设置：测量值取光标之间的波形。将光标之间的时间Δt与测得的均方根相乘，即可换算得方波的脉冲宽度。•剩下的步骤同“一、DC输入”，不再赘述。二、时间常数较大（大于10ms）：•将电阻上的波形看成周期性脉冲波形，周期取10ms。•可通过理论计算或实际测量，将首10ms内的能量换算后得到相应的方波脉冲宽度T，从曲线中读取允许的峰值功率Po。若实际的峰值功率小于Po，则满足设计要求。•若实际的峰值功率大于Po，那么参考双羽的设计，记实际的峰值功率为Pa，从曲线上可读取对应的脉冲宽度t1，那么如果1.414*t1T，则仍满足要求。（对于金属氧化膜电阻，双羽在时间轴上留了1.414倍的裕量。)•最后一项“时间常数较大”时，所做的判定是否合理，还需进一步论证。目前来看，厂家不会作出保证，也无法得到厂家的进一步支持。•上述仅为理论推算，最终结论仍需以实验为准。充分的实验才能提供最终的可靠设计。•THANKYOU!