【導讀】開關(guān)電源產(chǎn)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(shè)計，常規(guī)設(shè)計是在開關(guān)電源輸入端的火線上串聯(lián)一個熱敏電阻（NTC）,而對于功率較大的開關(guān)電源則同時在熱敏電阻（NTC）上并一個繼電器，用于產(chǎn)品穩(wěn)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(fā)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(shè)計應(yīng)用過程中的問題點，為繼電器在開關(guān)電源產(chǎn)品上的設(shè)計提供參考。
失效現(xiàn)象及來源
實際工程設(shè)計中，把圖1的PFC電路設(shè)計到產(chǎn)品上，測試發(fā)現(xiàn)沖擊電流超標（設(shè)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(jié)果和理論計算完全偏離。
圖1 PFC電路
結(jié)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(tài)，產(chǎn)品應(yīng)該無輸入；②熱敏電阻開路和繼電器吸合，輸入電流經(jīng)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(jīng)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(jīng)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(jié)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(tài)，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(chǎn)品測試沖擊電流超標屬于第④種情況，輸入電流主要經(jīng)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(lián)在輸入熱敏電阻RT1的兩端，由PFC電感L2的輔助繞組經(jīng)過線性穩(wěn)壓后供電。當開關(guān)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(tài)，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(qū)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(chǎn)品工作時的輸入線路阻抗，減少損耗，提高產(chǎn)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(jīng)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(shù)已超過繼電器所能承受的開關(guān)次數(shù)；
② 繼電器所處環(huán)境溫度過高；
③ 繼電器流經(jīng)浪涌電流過大。
通過對圖1電路工作原理的分析和實際監(jiān)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(guān)動作，因此繼電器K1的開關(guān)次數(shù)僅與人為輸入的開關(guān)次數(shù)有關(guān)。通過查閱繼電器的規(guī)格書可知，該繼電器的使用次數(shù)為1*104次，產(chǎn)品還在調(diào)試階段，不可能達到1*104次，所以不是使用次數(shù)超過壽命的原因?qū)е隆?/p>
圖2 繼電器觸點穩(wěn)態(tài)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(huán)境溫度為83℃。查閱本款應(yīng)用的繼電器規(guī)格書標明環(huán)境耐溫參數(shù)為10A/85℃，通入電流7A時可用于105℃，對比實際使用的環(huán)境和電流，可以排除由于使用環(huán)境溫度過高的原因?qū)е隆?/p>
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(fā)現(xiàn)繼電器K1觸點在導通后的一段時間內(nèi)出現(xiàn)了尖峰電流，最大尖峰Imax=39.4A。繼電器規(guī)格參數(shù)最大耐電流10A，而在調(diào)試產(chǎn)品時經(jīng)過多次開機產(chǎn)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(xiàn)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(jīng)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(xiàn)浪涌電流，對以下可能導致浪涌電流的器件進行監(jiān)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(jiān)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。
圖4 監(jiān)測PFC電感L2啟機電流
圖5 PFC電感未飽和
圖6 飽和電流
L1差模電感參數(shù)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(jīng)出現(xiàn)了飽和現(xiàn)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(tài)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。
圖7 更換前觸點電流
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(chǎn)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(chǔ)上減小C1容值由474/450V改為683/450V，測試繼電器觸點電流，發(fā)現(xiàn)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。
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(qū)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(guān)，實際工程設(shè)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(chǎn)品的過流能力有關(guān)，一般情況下，過流點設(shè)計好后，不建議改動此電阻。
圖10 PFC啟動
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(xiàn)較大沖擊電流可總結(jié)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(xiàn)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(guān)電源產(chǎn)品上的設(shè)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(chǎn)品需求的過流能力平衡)
除了從電路上對參數(shù)進行優(yōu)化外，繼電器的選型也很關(guān)鍵，這里介紹下繼電器觸點材料不同在應(yīng)用上的差異。例宏發(fā)繼電器型號為HF46F-G系列,其規(guī)格書中給出繼電器觸點材質(zhì)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(guī)格書中對不同材料觸點的應(yīng)用也做了區(qū)分，如下：
① AgSnO2常用于容性負載、感性負載、馬達負載等會產(chǎn)生浪涌電流的應(yīng)用場合。
② AgNi常用于阻性負載，電流穩(wěn)定的場合。
那么，對于開關(guān)電源輸入端使用的繼電器應(yīng)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(xiàn)的器件，所以在選擇繼電器時就應(yīng)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(nèi)部多余物、觸點表面污物、工藝結(jié)構(gòu)不當、觸點燒蝕，粘連、銀離子遷移、外部應(yīng)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(chǎn)工藝控制不當引起的，因此對于繼電器生產(chǎn)廠家來說，改善生產(chǎn)環(huán)境、完善質(zhì)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(guān)鍵的作用。此外，用戶必須依據(jù)實際使用要求，首先優(yōu)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(huán)境適應(yīng)性要求、輸入、輸出參數(shù)、時間參數(shù)、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(yīng)避免使用過程中導致的失效也有重要意義。
開關(guān)電源實際工作過程中，即使繼電器觸點短路失效產(chǎn)品也可正常工作，因此在使用過程中很難發(fā)現(xiàn)。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(chǎn)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(tǒng)的異常報警。預防這種情況出現(xiàn)的方案是設(shè)計前期把握好電路參數(shù)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(shù)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(shù)校正”，功率因數(shù)指的是有效功率與總耗電量（視在功率）之間的關(guān)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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