【導(dǎo)讀】對(duì)于功率電子產(chǎn)品，設(shè)計(jì)上是有保險(xiǎn)絲的要求的，按照傳統(tǒng)的電子學(xué)理論基礎(chǔ)，電源前面肯定會(huì)串聯(lián)一個(gè)保險(xiǎn)絲，尤其是開關(guān)電源，當(dāng)電源發(fā)生短路等異常情況時(shí)，保險(xiǎn)絲會(huì)自己熔斷切斷回路，防止故障影響進(jìn)一步擴(kuò)大。但是保險(xiǎn)絲真的足夠保險(xiǎn)嗎？下面就講講一位工程師的想法。
對(duì)于功率電子產(chǎn)品，設(shè)計(jì)上是有保險(xiǎn)絲的要求的，因?yàn)槲矣凶鯨ED調(diào)光電源，今天就以LED電源為例來說一說保險(xiǎn)絲的那些事兒，對(duì)于電源來說，保險(xiǎn)絲是一個(gè)非常關(guān)鍵的元件，所以個(gè)人觀點(diǎn)的對(duì)錯(cuò)，就非常重要，如果我個(gè)人觀點(diǎn)有不對(duì)的地方，嚴(yán)重感謝朋友批評(píng)指正。
先發(fā)一個(gè)免責(zé)申明：文中觀點(diǎn)只限于技術(shù)探討，不表明作者和討論者觀點(diǎn)一定正確，所有涉及人身財(cái)產(chǎn)安全的設(shè)計(jì)，一切以當(dāng)?shù)匕惨?guī)標(biāo)準(zhǔn)為準(zhǔn)，如因參考文中內(nèi)容導(dǎo)致產(chǎn)品設(shè)計(jì)出現(xiàn)安全問題，作者和討論者不承擔(dān)任何責(zé)任。
如果按照傳統(tǒng)的電子學(xué)理論基礎(chǔ)，電源前面肯定會(huì)串聯(lián)一個(gè)保險(xiǎn)絲，尤其是開關(guān)電源，當(dāng)電源發(fā)生短路等異常情況時(shí)，保險(xiǎn)絲會(huì)自己熔斷切斷回路，防止故障影響進(jìn)一步擴(kuò)大。
在我接觸電源的過程中，發(fā)現(xiàn)一個(gè)問題，就是電源在工作的時(shí)候損壞，電源內(nèi)部電路短路導(dǎo)致大電流，按照常規(guī)理解此時(shí)應(yīng)該只是保險(xiǎn)絲迅速燒斷，不會(huì)有其它的影響才對(duì)。但是在我們同客人的溝通了解中發(fā)現(xiàn)不是這樣，會(huì)有一定幾率出現(xiàn)空氣開關(guān)跳閘、電源板走線銅皮爆裂和冒煙等現(xiàn)象，壞的時(shí)候動(dòng)靜比較大，會(huì)嚇人一跳。既然保險(xiǎn)絲燒了，按說是不會(huì)出現(xiàn)這些情況的，看來其中原因值得分析。
先上一個(gè)示意圖，說明一下是什么地方的銅皮爆裂，讓大家清楚了問題表征，才好對(duì)其進(jìn)行理解、分析。
圖一 電源銅皮爆裂位置示意圖
當(dāng)電源損壞時(shí)，如果內(nèi)部發(fā)生類似圖一示意位置的短路，就會(huì)燒掉保險(xiǎn)絲，我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)有時(shí)標(biāo)“爆裂”字樣位置銅皮也會(huì)因電流過大燒焦、燒斷，更有甚者有時(shí)候居然會(huì)出現(xiàn)橋堆的腳都燒斷的現(xiàn)象。
看來保險(xiǎn)絲雖然也熔斷了，但并沒有起到我們所期望的效果，在保險(xiǎn)絲熔斷的同時(shí)，電源內(nèi)部的短路還是進(jìn)一步導(dǎo)致了部分電路的損壞，保險(xiǎn)絲的響應(yīng)速度好像有點(diǎn)偏慢，沒有我們期望的那么快。
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我查閱了保險(xiǎn)絲的相關(guān)資料，找到一張圖，我們先來看下這張圖，通過這張圖我們可以知道流過保險(xiǎn)絲不同電流時(shí)其具體熔斷時(shí)間。
圖二 保險(xiǎn)絲熔斷時(shí)間示意圖
假定我們現(xiàn)在用的是250V/1A的普通保險(xiǎn)絲，從圖二我們可以知道：電流為2A時(shí)大約要5秒熔斷，電流為4A時(shí)可在0.1秒內(nèi)熔斷，顯然不管多大電流，保險(xiǎn)絲熔斷都存在一個(gè)熔斷時(shí)間，電流越大，熔斷時(shí)間越短。
如果結(jié)合我們現(xiàn)有國情，我覺得對(duì)這個(gè)熔斷時(shí)間要打點(diǎn)折扣才行，我從市場(chǎng)上隨機(jī)抽取了幾種250V/1A的普通保險(xiǎn)絲進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試電流2A，可以看到保險(xiǎn)絲逐漸變紅，然后熔斷。這幾種保險(xiǎn)絲熔斷時(shí)間都是7~8秒，顯然比圖二種的時(shí)間要偏長(zhǎng)。因?yàn)槲覜]有好的儀器設(shè)備，無法進(jìn)行大電流測(cè)試，這里就不能給大家給出大電流情況下熔斷時(shí)間的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。
從圖二和我的測(cè)試可知道保險(xiǎn)絲也是需要熔斷時(shí)間的，而且這個(gè)熔斷時(shí)間并不短。從原理上講，保險(xiǎn)絲也是流過電流，其存在的內(nèi)阻發(fā)熱，電流越大，發(fā)熱越快，當(dāng)發(fā)熱速度超過散熱速度時(shí)，其溫度就會(huì)持續(xù)上升，直到熔斷。我用萬用表量了一下測(cè)試的保險(xiǎn)絲，其電阻都很小，不到0.5歐（萬用表量小阻值電阻偏差比較大），這樣不管電流多大，保險(xiǎn)絲都要經(jīng)過一段熔斷時(shí)間后才能熔斷。
我們回過頭來再看圖一，當(dāng)短路發(fā)生時(shí)，我們會(huì)看到和保險(xiǎn)絲串聯(lián)的只有銅皮（為便于分析這里我把開關(guān)電源的MOS管和變壓器主繞組省略掉）和整流橋，其內(nèi)阻都很?。ㄣ~皮也有內(nèi)阻的），回路中消耗的能量可以認(rèn)為是接近平均的，這個(gè)時(shí)候就看保險(xiǎn)絲、銅皮和整流橋誰先燒斷，因?yàn)閮?nèi)阻都很小，從短路到燒斷這個(gè)過程中的電流會(huì)非常大，就算加上MOS管和變壓器主繞組也會(huì)達(dá)到幾十安，所以這個(gè)過程動(dòng)靜就會(huì)比較大，有可能出現(xiàn)跳閘、嘭的一聲和冒黑煙等現(xiàn)象。
到這里就不難理解為什么會(huì)有文中開頭客人所反映的現(xiàn)象，原因就是保險(xiǎn)絲響應(yīng)速度不夠快，就算使用快燒保險(xiǎn)絲，只是加快熔斷速度，還是不能解決問題，而且選了快燒保險(xiǎn)絲后，需要考慮通電沖擊電流的影響，如果選擇的電流余量不夠大，沖擊電流會(huì)誤燒保險(xiǎn)絲，如果電流余量留大，又會(huì)回到類似使用普通保險(xiǎn)絲的慢響應(yīng)狀態(tài)。
看來保險(xiǎn)絲雖然名字中有保險(xiǎn)二字，但實(shí)際應(yīng)用中還是存在不足，雖然保險(xiǎn)絲可以把問題的嚴(yán)重程度控制在客人可以接受的范圍之內(nèi)，但跳閘、嘭一聲、冒煙這樣的現(xiàn)象還是會(huì)嚇到使用者，如果能夠消除那肯定是最好不過。
一開始我們思維被禁錮在必須使用保險(xiǎn)絲這一框框中，如果客人遇到此類問題，只好耐心象他們解釋，并沒有好的應(yīng)對(duì)措施。后來看到一些產(chǎn)品使用電阻當(dāng)保險(xiǎn)絲，心想是不是對(duì)解決此類問題有幫助，可又擔(dān)心用電阻的方式不符合安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，還是不敢用。
再后來，我們看到知名家電廠商出日本和美國的產(chǎn)品，器阻容降壓電路大量使用電阻當(dāng)保險(xiǎn)，而且出美國的產(chǎn)品還是實(shí)過了UL認(rèn)證的，心想難道真的可以用電阻來當(dāng)保險(xiǎn)絲使用？
接下來了解了一些安規(guī)要求，發(fā)現(xiàn)安規(guī)要求中存在保險(xiǎn)電阻的提法，這樣看來用電阻方式替代保險(xiǎn)絲的做法是符合安規(guī)要求的，只是保險(xiǎn)電阻的選用存在一定要求，這里先不討論如何選取合適的電阻，有興趣的朋友請(qǐng)自己查閱相關(guān)資料。
既然可以用電阻做保險(xiǎn)絲，那電阻的效果如何呢？如果我們用一個(gè)10歐的保險(xiǎn)電阻，圖一的情況最大電流就會(huì)降低許多，220V輸入電壓下，最大電流肯定小于22A。這個(gè)最大電流還不是最關(guān)鍵的，因?yàn)?2A的電流也還是非常大，不過實(shí)際中是達(dá)不到這么大電流的，下面我們用一個(gè)例子來進(jìn)行分析。
一個(gè)30瓦的電源使用10歐保險(xiǎn)電阻，220V輸入時(shí)平均工作電流約為0.14A，短路發(fā)生后，電流就會(huì)從這個(gè)電流附近迅速上升，這個(gè)時(shí)候因?yàn)?0歐保險(xiǎn)電阻的存在，回路中的能量幾乎都集中到10歐保險(xiǎn)電阻上，這個(gè)保險(xiǎn)電阻會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)燒斷，當(dāng)其燒斷時(shí)，我個(gè)人認(rèn)為電流遠(yuǎn)達(dá)不到22A的極限值，保險(xiǎn)電阻應(yīng)該在電流上升的過程中就已經(jīng)燒斷。我們計(jì)算一下，在22A的電流下，10歐保險(xiǎn)電阻的功率可以達(dá)到22*22*10=4840瓦，估計(jì)離這個(gè)功率還遠(yuǎn)著的時(shí)候保險(xiǎn)電阻就已經(jīng)灰飛煙滅了。
接下來我們做了詳細(xì)的驗(yàn)證測(cè)試，測(cè)試證明推測(cè)是正確的，自從加了保險(xiǎn)電阻，無論是生產(chǎn)測(cè)試還是實(shí)際應(yīng)用，再也沒有出現(xiàn)電源損壞時(shí)動(dòng)靜大得嚇人一跳的情況?？赡苡腥藭?huì)有疑問，如果出現(xiàn)客人不接受保險(xiǎn)電阻的方式，堅(jiān)持要用保險(xiǎn)絲怎么辦？沒事，我們也遇到這樣的客人，如果客人堅(jiān)持必須用保險(xiǎn)絲，那我們就給他用保險(xiǎn)絲和保險(xiǎn)電阻串聯(lián)的方式，這樣處理還沒有遇到客人不接受的，只是成本增加了一點(diǎn)而已。
既然保險(xiǎn)電阻比保險(xiǎn)絲好用，那直接用保險(xiǎn)電阻不就得了？這個(gè)問題我也想過，個(gè)人看法是保險(xiǎn)電阻只適合小功率的電源，如果是一個(gè)220V100W的電源，滿負(fù)荷下平均工作電流有0.45A，這樣10歐保險(xiǎn)電阻的功耗就會(huì)達(dá)到2W以上，發(fā)熱過于厲害，無法長(zhǎng)時(shí)間工作，所以不適用。另外常用開關(guān)電源在整流橋后面會(huì)有一個(gè)高壓電解電容，這個(gè)電容的存在會(huì)讓電源上電時(shí)的沖擊電流加大，適用保險(xiǎn)電阻需要考慮這電解電容對(duì)其的沖擊影響，如果余量不夠會(huì)明顯影響保險(xiǎn)電阻的使用壽命。
前兩天《電子工程專輯》的Mike Zhang問我有些LED電源不用保險(xiǎn)絲的看法，這些做法都是現(xiàn)階段以低價(jià)為終極目的的市場(chǎng)現(xiàn)導(dǎo)致的畸形做法，也不能全把責(zé)任怪在廠家頭上。現(xiàn)階段，對(duì)于大多數(shù)國內(nèi)廠家來說，認(rèn)證就是一張紙，好多次有客人問我：“能不能做過認(rèn)證的MINI蘋果充電器？”我回答做不了，再告訴客人以我知道的情況，還沒有人能做得了，可客人不信，因?yàn)橐呀?jīng)有不少廠家告訴他能做，而且給他看了證書。
正是這種情況，就出現(xiàn)了后面的這種局面：既然你說能做，那我也說可以做，既然你敢省元件，那我就比你更敢省，收錢做貨，有人敢要，我自然敢做，真要出了事，錢已經(jīng)收了，客戶能把我怎么地？“有問題拿回來我給你修”就是不錯(cuò)的態(tài)度了，既然你要找便宜的，我不做別人也會(huì)做，那不如我做算了。
正是這個(gè)原因，就有人想到用一條細(xì)銅皮來替代保險(xiǎn)絲，這樣還不夠，更猛的人連那條細(xì)銅線都省了，直接把輸入線連到整流橋管腳上，因?yàn)镻CB也需要錢，那條細(xì)銅皮會(huì)占用PCB板面積。
有時(shí)候，廠家也并不一定愿意那么做，好多時(shí)候是被客人逼的。我經(jīng)常看到客人要求我們簽有問題按整機(jī)賠和承擔(dān)客人全部損失的質(zhì)保協(xié)議，我不知道客人是怎么想的？反正我們是認(rèn)為天底下沒有只賺不賠的買賣，既然自己想從中賺錢，就要承擔(dān)自己該承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)，不要總想著把風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)嫁給上游的供應(yīng)商。我們會(huì)用到不少芯片，對(duì)于供應(yīng)商我們只是要求如果是假貨需要承擔(dān)全部責(zé)任，別的我們基本上不會(huì)做太多要求，在我們看來這些風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)該是我們自己承擔(dān)的。(這個(gè)話題說遠(yuǎn)了，留在后面做專題牢騷吧）
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