開關(guān)電源產(chǎn)品的一個(gè)重要性能指標(biāo)是輸入沖擊電壓，一般設(shè)計(jì)得較小。 常規(guī)設(shè)計(jì)是在開關(guān)電源輸入端的火線上串聯(lián)一個(gè)熱內(nèi)阻（NTC）。 對于更大功率的開關(guān)電源在熱內(nèi)阻（NTC）上同時(shí)裝有保險(xiǎn)絲，用于減少元件損耗，提高產(chǎn)品穩(wěn)定工作時(shí)的可靠性。 本文著重分析歸入熔斷器后觸頭漏電失效的原因。 通過原理、實(shí)驗(yàn)測試、驗(yàn)證和熔斷器材料，詳細(xì)分析了熔斷器在電路設(shè)計(jì)和應(yīng)用過程中存在的問題，為熔斷器在開關(guān)電源產(chǎn)品中的使用提供了依據(jù)。 以上設(shè)計(jì)提供參考。
故障現(xiàn)象及來源
在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，將圖1中的PFC電路設(shè)計(jì)到產(chǎn)品中，測試發(fā)現(xiàn)沖擊電壓超標(biāo)（設(shè)計(jì)目標(biāo)≤25A），達(dá)到70A。 本方案中，熱敏電阻內(nèi)阻RT1的阻值取10Ω。 理論上根據(jù)90VAC的輸入電流，即相位為90°或270°時(shí)，最大輸入峰值電流為90*√2≈127V，最大輸入峰值電壓（輸入沖擊電壓)為Imax=127/10=12.7A，測試結(jié)果完全偏離理論估計(jì)。
圖1 PFC電路
結(jié)合圖1分析，影響輸入沖擊電壓的元件主要是熱內(nèi)阻RT1和熔斷器K1，有以下四種組合：①熱內(nèi)阻斷開，熔斷器不閉合。 此時(shí)輸入處于打開狀態(tài)。 產(chǎn)品應(yīng)該沒有輸入； ②熱內(nèi)阻開路熔斷器閉合，輸入電壓通過熔斷器直接供給前端電路，熱內(nèi)阻在電路中不起作用，輸入沖擊電壓大； ③熱內(nèi)阻正常且保險(xiǎn)絲未閉合，輸入電壓通過熱敏電阻給前端電路，抑制和降低輸入沖擊電壓； ④熱敏電阻內(nèi)阻正常，熔斷器閉合，輸入電壓主要通過熔斷器給前端電路，熱敏電阻內(nèi)阻在電路中不工作，輸入沖擊電壓大； 檢查熱敏電阻內(nèi)阻和保險(xiǎn)絲，結(jié)果熱敏電阻內(nèi)阻正常，保險(xiǎn)絲常開點(diǎn)在無電源時(shí)處于銜鐵狀態(tài)，即保險(xiǎn)絲為異常元件。 更換新保險(xiǎn)絲后，實(shí)測沖擊電壓僅為7.4A。 以往產(chǎn)品試驗(yàn)沖擊電壓超標(biāo)屬于第四種情況。 輸入電壓主要通過熔斷器提供給前端電路，熱內(nèi)阻在電路中不起作用，造成較大的輸入沖擊電壓。
電路圖1的工作原理如下：保險(xiǎn)絲K1與熱敏內(nèi)阻RT1兩端并聯(lián)，線性穩(wěn)壓后PFC電感L2的輔助定子供電。 當(dāng)開關(guān)電源上電啟動(dòng)時(shí)，由于此時(shí)保險(xiǎn)絲K1沒有供電電流繼電器線圈電阻的測量方案，保險(xiǎn)絲K1處于開路狀態(tài)，輸入電流通過熱內(nèi)阻RT1對大電解電容C8充電，從而限制了啟動(dòng)時(shí)的輸入沖擊電壓。 功率管Q1接收到驅(qū)動(dòng)信號(hào)后，PFC電感L2輔助建立定子電流，即建立熔斷器K1的供電電流。 當(dāng)供電電流達(dá)到9V左右時(shí)，保險(xiǎn)絲開始工作，觸點(diǎn)閉合導(dǎo)致熱內(nèi)阻RT1漏電，增加了產(chǎn)品工作時(shí)的輸入線路阻抗，減少了損耗，提高了產(chǎn)品的效率.
保險(xiǎn)絲觸點(diǎn)漏電故障的原因
對于熔斷器未通電且常開點(diǎn)已經(jīng)銜鐵的情況，即熔斷器觸點(diǎn)漏電失效，通常有以下三種可能。 以下三種可能的原因一一分析排查：
①繼電器動(dòng)作頻率低，使用次數(shù)已超過保險(xiǎn)絲所能承受的開關(guān)次數(shù)；
②繼電器所在環(huán)境濕度大；
③流過繼電器的浪涌電壓過大。
通過對圖1電路工作原理的分析和保險(xiǎn)絲K1觸點(diǎn)兩端電流的實(shí)際檢測，保險(xiǎn)絲K1僅在通電過程中動(dòng)作，正常后觸點(diǎn)不再切換操作，所以保險(xiǎn)絲K1的開關(guān)次數(shù)只與人輸入的開關(guān)次數(shù)有關(guān)。 根據(jù)保險(xiǎn)絲的尺寸書可知，保險(xiǎn)絲的使用頻率為1*104次，產(chǎn)品還在調(diào)試階段，不可能達(dá)到1*104次，所以不是由于使用頻率超過使用壽命造成的。
圖2 熔斷器觸點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)電壓波形
【黃色為輸入電流，紅色為保險(xiǎn)絲接觸電壓】
通過實(shí)際測試，如圖2所示繼電器線圈電阻的測量方案，保險(xiǎn)絲工作時(shí)的接觸電壓約為3A，保險(xiǎn)絲的環(huán)境濕度為83℃。 查看此應(yīng)用的保險(xiǎn)絲規(guī)格書，標(biāo)明耐環(huán)境溫度參數(shù)為10A/85°C，輸入電壓為7A時(shí)可在105°C下使用。 對比實(shí)際環(huán)境和電壓，可以排除使用環(huán)境濕度大的原因。 .
圖3 保險(xiǎn)絲觸點(diǎn)導(dǎo)通波形
【黃色為輸入電流，紅色為保險(xiǎn)絲接觸電壓】
熔斷器K1的前端負(fù)載為感性負(fù)載（L1、L2）和容性負(fù)載（C1、C2、C8）。 測得的保險(xiǎn)絲K1的觸點(diǎn)電壓如圖3所示，從圖中可以看出，保險(xiǎn)絲K1的觸點(diǎn)在導(dǎo)通后的一段時(shí)間內(nèi)有一個(gè)峰值電壓，最大峰值Imax=39.4A . 保險(xiǎn)絲尺寸參數(shù)最大耐壓為10A，產(chǎn)品調(diào)試時(shí)多次啟動(dòng)后形成的浪涌電壓沖擊（39.4A）會(huì)損壞觸點(diǎn)，造成??接觸不良。
熔斷器銜鐵產(chǎn)生浪涌電壓的原因
通過調(diào)查得知，熔斷器觸點(diǎn)漏電失效的原因是流經(jīng)熔斷器的浪涌電壓過大，那么在圖1的電路中，是什么原因?qū)е氯蹟嗥麟姌兄械睦擞侩妷海@可能引起浪涌的下列浪涌電壓元件檢測分析：
①PFC電感L2是否飽和；
②L1差模電感是否飽和；
③π型混頻電容C1是否過大；
④PFC限制鉗位電壓是否過大。
檢測PFC電感L2的啟動(dòng)電流如圖4所示，此時(shí)PFC電感電壓被削波，即PFC電壓被限制鉗位在13.1A，PFC電壓波形良好，且乙
圖4 檢測PFC電感L2的啟動(dòng)電流
圖5 PFC電感未飽和
圖 6 飽和電壓
L1差模電感參數(shù)為200uH/48Ts/0.7mm。 測得的飽和電壓如圖6所示，在施加13.1A電壓（PFC啟動(dòng)時(shí)鉗位的電壓）時(shí)，電感只有12.5uH，電感增加很大。 ，飽和已經(jīng)發(fā)生。 此時(shí)，π型混頻電感L1很難對PFC啟動(dòng)過程中流經(jīng)保險(xiǎn)絲K1的電壓進(jìn)行有效混頻。 更換差模電感L1，選用飽和電壓較高的差模電感（飽和電壓約16A/200uH），測試其接觸電壓，導(dǎo)通瞬態(tài)電壓8A，導(dǎo)通后最大電壓峰值17.4A，觸點(diǎn)電壓峰值明顯降低，如圖7更換前和圖8更換后。
圖7 更換前的接觸電壓
圖8 更換后的接觸電壓
【綠色為C8電容電流，白色為保險(xiǎn)絲接觸電壓】
C1為π型混頻電路的第一級(jí)電容，輸入電流直接對C1充電，會(huì)形成畸變的脈沖充電電壓。 電容越大，失真的電壓脈沖越大，因此保險(xiǎn)絲觸點(diǎn)的峰值電壓就越大。 在更換L1差模電感的基礎(chǔ)上，將C1的電容由474/450V降為683/450V，測試保險(xiǎn)絲接觸電壓，發(fā)現(xiàn)保險(xiǎn)絲接觸電壓最大為8.6A，電壓尖峰明顯進(jìn)一步降低（之前為 17.4 A），如圖 9 所示。
圖9 PFC升壓時(shí)的電壓電流波形
【綠色為C8電容電流，白色為保險(xiǎn)絲接觸電壓】
PFC控制IC啟動(dòng)過程：在大電解電容C8的升壓過程中，PFC控制IC驅(qū)動(dòng)器輸出的力矩會(huì)從0增加到最大，如圖10所示。PFC電壓逐漸達(dá)到PFC電壓采樣限制和鉗位如圖4所示。PFC啟動(dòng)鉗位電壓與PFC電壓采樣的內(nèi)阻有關(guān)。 在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，PFC電壓采樣內(nèi)阻為R=22mΩ，PFC鉗位電壓約為13.1A。 降低R=40mΩ，鉗位電壓降低，沖擊電壓峰值降低，同時(shí)可以降低L1啟動(dòng)時(shí)的電感，降低PFCπ型混頻的功效。 如圖 11 所示，最大接觸電壓峰值為 9.6A。 PFC電壓采樣的內(nèi)阻直接關(guān)系到產(chǎn)品的過流能力。 一般過流點(diǎn)設(shè)計(jì)好后，不建議再改這個(gè)內(nèi)阻。
圖 10 PFC 啟動(dòng)
圖11 保險(xiǎn)絲接觸電壓波形
綜上所述，輸入端熔斷器熔斷后沖擊電壓大可歸納為：PFC電壓采樣內(nèi)阻小，即過流點(diǎn)大，輸入電壓在PFC開始工作（boost）大時(shí)到達(dá)鉗位點(diǎn)； 如果π型混頻的差模電感飽和，將失去對電壓的抑制作用； 混頻電容C1的容值越大，畸變電壓脈沖越大。
開關(guān)電源產(chǎn)品保險(xiǎn)絲設(shè)計(jì)參考
①輸入端π型混頻電路：選用飽和電壓較高的差模電感，減小π型混頻第一級(jí)電容的容值
②增加PFC電壓采樣內(nèi)阻，降低PFC鉗位電壓（這要與產(chǎn)品要求的過流能力相平衡）
除了從電路上優(yōu)化參數(shù)外，保險(xiǎn)絲的選擇也很關(guān)鍵。 下面是不同熔斷器觸點(diǎn)材料在應(yīng)用上的區(qū)別。 例如宏發(fā)熔斷器型號(hào)為HF46F-G系列，規(guī)格書中給出的熔斷器觸點(diǎn)材料分為兩種材料：和AgNi，即：HF46F-G/XXT（帶T）觸點(diǎn)材料為； HF46F -G/XX（無 T）觸點(diǎn)材料為 AgNi。 這個(gè)系列的size book也區(qū)分了不同材質(zhì)觸點(diǎn)的應(yīng)用，如下：
①常用于容性負(fù)載、感性負(fù)載、電機(jī)負(fù)載等會(huì)產(chǎn)生浪涌電壓的場合。
②AgNi常用于阻性負(fù)載和電壓穩(wěn)定的場合。
這樣，對于開關(guān)電源輸入端使用的熔斷器應(yīng)用來說，前端實(shí)際負(fù)載通常有電感、電容等引起浪涌電壓的元件，所以在選擇熔斷器時(shí)，應(yīng)選擇接觸件材質(zhì)的熔斷器應(yīng)該使用。
保險(xiǎn)絲的失效通常有以下幾種：保險(xiǎn)絲內(nèi)部多余、接觸面臟污、工藝結(jié)構(gòu)不當(dāng)、觸點(diǎn)碳化、攣縮、銀離子遷移、外加引起的簧片位移等。
這種故障模式大部分是由于保險(xiǎn)絲生產(chǎn)過程控制不當(dāng)造成的。 因此，對于熔斷器生產(chǎn)企業(yè)而言，改善生產(chǎn)環(huán)境，完善質(zhì)量控制和檢測體系，對于防止熔斷器故障頻發(fā)將起到極為關(guān)鍵的作用。 角色。 據(jù)悉，用戶首先要根據(jù)實(shí)際使用要求優(yōu)化使用類型，然后慎重確定所需的功能特性和化學(xué)特性（包括環(huán)境適應(yīng)性要求、輸入輸出參數(shù)、時(shí)間參數(shù)、觸頭壽命、體積、重量、安裝規(guī)格、安裝方法、密封等），因此選擇合適的保險(xiǎn)絲對于防止在使用過程中造成的故障也很重要。
在開關(guān)電源的實(shí)際工作過程中，雖然保險(xiǎn)絲觸點(diǎn)漏電故障產(chǎn)品仍能正常工作，但在使用過程中卻很難察覺。 一旦熔斷器觸頭漏電失效，較大的輸入沖擊電壓將影響產(chǎn)品的可靠性，也可能因較大的輸入沖擊電壓而引起后端供電系統(tǒng)異常報(bào)告。 防止出現(xiàn)這些情況的解決辦法是在設(shè)計(jì)初期掌握好電路參數(shù)的選擇，選擇符合電路特性的熔斷器型號(hào)。
筆記：
熱內(nèi)阻（NTC）：熱內(nèi)阻是一種傳感內(nèi)阻，其內(nèi)阻值隨溫度的變化而變化。 （NTC，即負(fù)溫度系數(shù)熱內(nèi)阻，溫度越高，內(nèi)阻越小）。
PFC：中文全稱“Power”，意思是“功率素?cái)?shù)校準(zhǔn)”。 功率素?cái)?shù)是指有效功率與總功耗（視在功率）之間的關(guān)系，即有效功率乘以總功耗（視在功率）。