金属氧化膜电阻的浪涌设计PPT幻灯片课件

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1、金属氧化膜电阻的浪涌设计 1 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 2 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 3 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 4 该波形记为 其中 Upeak为峰值电压

2、 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 5 以下为一些常见的波形 及其换算关系 6 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 7 8 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 9 KOA的技术规格中 建议将这里读取到的

3、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 10 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 11 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

4、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 12 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

5、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 13 二 重复脉冲设计 脉冲波形参考如下 14 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 15 在以下三种条件下 分别计算该降额Pm t2 t1 200P

6、m Po t2 t1100us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 16 t2 100us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 17 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

7、析 给出一个基本的规范 18 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 19 取时间 根据T 读取曲线中的Po Po取降额90 100 个人认为 取60 的降额过大 会引起过度设计 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 20 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

8、如下 取时间 根据T 可读取曲线中的Po 380W 如下图所示 21 22 Po取降额90 即允许的峰值功率为380 0 9 342W 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 23 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 24 以下分两种情况来分析 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

9、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 25 26 当交流输入初始表达式为45度相位时 波形如下 27 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

10、 应力越严酷 该结论可以从KOA提供的曲线中得到验证 28 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 29 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 30 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A4

11、14 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 31 32 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 33 34 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

12、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 35 将时间设置为200ms 进一步分析波形如下 36 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 37 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

13、 那么计算所得的裕量更大 38 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 39 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

14、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 t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 40 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 t1 T 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 41 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 42 THANKYOU 43