电网电压过高时，如何保护电子设备并确保其正常工作

如果我说很多人都遇到过电子设备因输入电压过高而损坏，应该不会错。造成这种情况的原因各不相同，但结果几乎总是一样：电源烧毁。导致这类问题的原因有很多，相应的应对方法也不少，今天我们就来聊聊这个话题。

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这里所说的过电压，是指设备输入端长时间出现高于242-252 V的电压。

电网过电压的成因很多，最常见的包括大风或积雪导致电线交叉搭接、电线断裂、零线烧断；最近至少又多了一种原因：变电站遭到破坏。当然还有雷击等造成的瞬态过电压，但那是另一个话题，需要采用其他保护方法。

通常怎么防护？至少可以安装过电压保护继电器。这种方法简单、有效，也相对可靠，不过也有一些缺点，比如继电器损坏后，所有接在它后面的设备都会失去保护。
在家庭使用中，这仍然是最简单、有效的方法，尤其是家里有许多不同类型的用电设备，很难逐一为它们配置独立保护。


另一种方案是在设备内部进行局部保护，一些家电厂商也提供了这种设计。我不评价它的效果好坏，至少这种方案确实存在。


今天我想介绍的正是这种保护方案，并通过一个实际例子来展示。

这种保护方式其实一点也不新鲜。那为什么不把它装到所有设备里？因为短期来看至少会增加成本，长期来看也不划算。首先，消费者会限制这种做法：这类设备显然更贵；其次，厂商也会限制它，因为拒绝保修比把设备做可靠容易得多。

通常会怎么做保护？最多也就是装一个压敏电阻，在某些情况下，它确实能通过自身击穿来保护设备，并因此烧断保险丝。遗憾的是，这种保护并非总能奏效，也不是所有设备都有；此外，有时压敏电阻的额定电压高得离谱，只能应对瞬态高压干扰。



压敏电阻的额定电压通常为470 V，在某些情况下确实能起到保护作用，但这种保护是一次性的。下面就是这种保护动作的一个例子。


另一种方案是在电源中加入OVP功能，但同样不是所有电源都有，甚至可以说没有的更多。下面以一款基于Power Integrations芯片的电源电路为例，其中包含UVP/OVP保护电路。厂商对此的说明是：

通俗地说，当输入电压超过某个值时，我们就会禁止高压晶体管工作。由于它的耐压为700 V，而且工作时不会产生电压尖峰，因此电源能够承受较高的电压。



第三种解决方案，是从一开始就把电源设计成能够在这样的电压下工作。原理其实很简单：电网电压最高可能达到380/400 V（特殊情况除外），所以只要把电源设计为输入电压可达400 V，输入端到底是多少电压也就无所谓了。
这种方案有它的便利之处，但成本更高；此外，在220/230 V，尤其是180-190 V时，电源的工作状态不够理想，效率会降低。使用耐压更高的功率晶体管也会进一步拉低效率。
下面的照片展示了两款电源，标称工作范围分别为100-520和80-580 VAC。

当然，还有一类产品可以自动切换115/230 V（甚至曾有专门用于切换控制的芯片），但这类电源并未广泛普及，通常只采用机械开关。


电压继电器的评测已经很多了，我自己也写过5-6篇相关评测，有的还带测试，偶尔也会附上电路图。高压电源并不常见，所以我想重点聊聊电源端的保护方案。

要看负载端如何实现过压保护，可以参考LRC-60 LED灯具驱动器。照明恰好是电源故障更容易被察觉的领域。而且这类驱动器也用于户外照明，因此采用集中保护可能不太方便：一旦保护装置故障，整条照明支路都会熄灭，而不只是一个灯具。


我手头正好有两台驱动器。严格来说，它们是同一款，只是其中一台为IP20版本，另一台为IP66版本。


这是更新后的驱动器版本。三年前我评测过这家厂商的驱动器和电源。


从那时起，我的一台电源就一直在给厨房照明供电。另一台的去向则比较特别：变压器被拿去做了焊台，PWM控制器则被用来维修另一台电源了 :)



这里所说的工作电压范围，是指驱动器为负载供电时的电压范围；不过资料还注明，驱动器能够相对长时间地承受最高380 V的输入电压。


由于防护等级不同，一台驱动器灌封了灌封胶，另一台则是“裸板”。


下面我以IP20驱动器的内部结构为例进行分析。


当然，我这人比较随性，真要拆的话，灌封的驱动器我也能拆，就像之前某篇评测里做过的那样。不过既然手上有一台没灌封的驱动器，再去拆灌封的就有点过了。
顺便说一下，照片里的是上一代产品，它的输入端同样能承受380 V，但新款有一个重要区别：增加了有源功率因数校正电路。


到这里已经能看出两代驱动器的区别：左边是新款，右边是旧款。新款没有高压电容。


我好像有点跑题了，还是回到文章主题吧。
哪些元件决定了电源能否承受较高的输入电压？我们也结合这款驱动器来看看。
1. 电网输入端的压敏电阻，当然是在保险丝之后（不过我也见过装在保险丝之前的……），标称680 V，也就是交流电压约475 V，因此它在这里是用来抑制脉冲干扰的。顺便提醒一下，这里的压敏电阻标注的是直流电压；对于交流电来说，这相当于峰值电压。不过，Epcos的压敏电阻标注的则是有效值。
2. X电容。为了查看它的标称值，更准确地说是耐压值，我把它拆焊了下来。这里用的是440 V电容，这一点相当重要，因为电源里通常使用耐压250-300 V的电容。这里一共有两只这样的电容，分别位于共模电感的前后。
3. 另一只压敏电阻，标称470 V。从这个复杂的接线方式来看，它应该是用来吸收单次脉冲的，但不会影响持续施加的电压。
4. 绕组间Y电容和X电容一样，也有不同类型。准确地说，分为Y1和Y2两种，前者更能承受高压脉冲；而这里的电容不仅是Y1，耐压还高达400 V。


1、2. 实际上，在某些情况下，还会通过串联来进一步提高安全性，尤其是Y电容，因为它们可能关系到人的生命安全。图中是一对额定电压为250 V、串联使用的Y电容。
3. X电容也会采用这种做法，不过要少得多。
4. 有时为了提高开关电源的安全性，还会在输入端的零线和火线上各装一个保险丝；也有时会串联安装两个保险丝，例如分别放在压敏电阻前后，并采用不同的额定值，不过这种情况比较少见。

无论如何，安全措施总不嫌多。有些人没意识到，开关电源输入端的火线和零线标记并非摆设，而是为了安全，因为保险丝必须装在火线上。


为了节省空间，控制板做成了子模块的形式。不过这里真正值得关注的是所用的高压晶体管，因为它同样决定了开关电源承受输入高压的能力。WML08N80M3，800 V、7 A，表现相当不错。可能有人会问，为什么所有开关电源都不使用这么高耐压的晶体管？答案很简单：晶体管的耐压越高，导通电阻通常也越大，因此压降和发热会增加，效率则会降低。采用类似拓扑时，更常见的是使用耐压500–650 V的晶体管。


当然还要做些测试和直观演示。除了驱动器，我还需要一个负载，这里用两块LED面板来充当。


每块面板由54颗LED组成，按6P9S方式连接，也就是总电压约为26–27 V。驱动器最高输出60 V，所以用了两块面板。这些小面板真不错，亮度很高，我甚至没加额外散热就让它们工作了一阵，只是这帮小家伙确实挺烫的 :)


接上两块面板后，驱动器输出52.8 V，这由面板本身决定；电流约为900 mA，这则由驱动器决定。实际上，电流和电压都标在型号60-900里。
我特意挑选这两块面板，是想得到接近最大值54 W的负载，实际约为47 W。当然，也可以用工作在CV模式下的电子负载，但那样直观性差得多。


既然驱动器和负载都摆在桌上，我就顺手估算了一下效率，也验证了它是否真的带有功率因数校正。
效率不太好说，我测出来大约是90%，标称值为92%。至于功率因数就没什么疑问了，大约在0.97–1之间。


当然还要测试它承受高电压的能力。厂家标称可承受380–400 V，但我没打算手下留情，又把电压提高了将近10%（拍摄时还升得更高），此外还测试了输出短路保护。
1. 00:00–00:45——缓慢改变输入电压。
2. 00:45–1:00——快速改变输入电压。
3. 1:00–1:35——测试输出短路，先短暂短路，再持续短路。

测试过程中也检查了输出纹波幅度，标称值不超过2%，实际测得略低一些。示波器屏幕上的一格约为5%，不计高频噪声时，主要纹波完全在这个范围内。
测试发现，短暂短路后驱动器会立即恢复输出；持续短路后，则要等短路排除约10秒才会恢复。


厂家也有类似的演示视频，不过内容稍微简化了一些。示波器波形看起来当然更漂亮，我怀疑示波器启用了某些额外滤波器来限制带宽。我这边使用的是标准的20 MHz带宽限制，而且从分流器取样的信号也经过了常见的C+C网络。


如果不想看视频，主要结果一张图就能说明：电压升到约303–306 V时，驱动器会关断；降到290–295 V时，则会重新启动。上次我还抱怨保护触发后没有迟滞，这次可以明显看出有迟滞，这点值得肯定。


上面实际上介绍了应对电网过压的三种主要方案：
1. 通过电压继电器在配电回路层面切断电源。
2. 在设备本身进行保护：设备不会损坏，但在电压超限期间会关断。
3. 设备对最高380/400 V电压的耐受能力，设备仍可继续工作


我个人更喜欢第三种方案，家里用的是第一种，不过第二种也完全可行，具体取决于使用场景。如果说的是照明驱动器的保护，我也会倾向于第二种方案，这样发生紧急情况时照明还能继续工作，有时这非常重要。想听听大家对此有什么看法。

今天就先到这里，希望这些内容对你有所帮助。