小型开关电源的防火设计

电源

开关电源（SMPS）从上世纪60年代问世以来，技术有了飞速发展，以其在体积、重量、效率、功率密度、供电质量等诸多方面的优点，被广泛应用于通讯、计算机、家电、航天等各个领域。而且正向高频化、全数控、集成化等目标不断发展。应用普及的速度超出了人们的想象。尤其是20W以下的小功率开关电源已经基本上取代了以工频变压器为主要特征的线性电源，成为电源市场的主流。

然而，性能如此优异的开关电源仍避免不了自身起火的厄运。2004年，内蒙古民族大学学生宿舍就曾因手机充电而引发火灾。20W以下的小功率开关电源，自身起火的概率远大于大功率开关电源，而小功率开关电源的社会拥有量又占绝大多数，因而本文重点讨论小功率开关电源的起火原因及预防措施。

一、开关电源起火原因

1、开关电源最易起火的部位及原因。开关电源主要由输入电路、逆变电路、输出电路、脉冲调制及稳压、保护电路组成（见图一）。下面从各个部分的电路特点分析起火的可能。

（图一）

1.1开关电源的输入电路与其他电路相比起火的概率最高，原因如下：

1.1.1输入电路承受的电压较高，220V交流电压其峰值达300V，经整流滤波后的直流电压也达300V；电网的浪涌电压也首先冲击输入电路，容易发生绝缘击穿，短路和线间爬电、放电，以致产生电弧，发生火灾。

1.1.2输入电路直接与电网连接，有足够的能量用以维持故障电流或持续电弧。

1.1.3开关电源的其他部分出现故障，有时也会殃及输入电路，引发输入电路出现故障导致起火。

1.1.4开关电源的保护电路无法保护输入电路。

1.2逆变电路的开关管和开关变压器也承受高电压，开关管被击穿也是常有的事，一旦发生熔焊性对地短路，开关变压器会因持续的大电流发热着火。

1.3小功率开关电源的输出电压大都较低，输出功率较小，出现短路、过电压时保护电路启动，逆变电路停止或减少对输出电路的能量供给，因而不易起火。

1.4脉冲调制及稳压、保护电路都是低电压、小电流，自身绝无起火的可能。但它的故障可使稳压和保护电路失控，危及其他电路。

如此看来，经常的、大量的、直接的起火部位是开关电源的输入电路，而起火的直接原因多是电弧引起。

2、小功率开关电源小型简约化设计结构带来起火隐患。小功率开关电源体积都比较小，而设计和制造者往往又过于追求小型化，元件和布线的密度非常高，连保险丝都嫌体积大而取消，极易引起漏电、爬电、击穿短路和发生电弧。整体结构的小型简约化，导致元器件选择的小型化，使耐压指标降低、散热条件变劣，造成整机的故障率升高，增加了起火危险。

3、小功率开关电源设计上存在先天缺陷。小功率开关电源的输入阻抗与大功率开关电源一样都是低阻抗。正常工作时用电不多，一旦出现短路故障，故障电流却无法限制，给生成电弧创造了条件。

4、伪劣产品充斥市场，使起火概率增加。小功率开关电源市场需求量大，技术难度又不高，给造假者以可乘之机，粗制滥造的产品存在大量的起火隐患。

5、使用不当带来火灾隐患。大多数人认为，小功率开关电源只有几瓦的功率，既不费电、也不发热，不会起火。以手机充电器为例，人们往往在充完电后也不切断电源，充电器长期插在电源插座上。有的设备如电视机，为了使用方便，长期处于待机状态，甚至外出十天半月都不关闭电源，待机时相当于小功率开关电源在工作，虽然费电不多，但是好多电器火灾都是在待机状态下发生的，由于火灾初起无人发现，造成的火灾损失更大。

二、避免或减少小功率开关电源起火的措施

1、提高小功率开关电源的输入阻抗。传统的设计理念是电源的内阻越小越好。这样，用电器可以从电源获取最大的能量。但是，小功率开关电源为之供电的用电器功率较少，它不需要从电源获取太大的能量。因此，追求电源的低内阻是没有必要的。当然，对内阻有特殊要求的用电器除外（如高音质音频放大器）。

据有关资料介绍，220V的交流电，电流低于500mA就不能生成持续的电弧，不容易引燃附近的固体可燃物。如果通过电源内阻把短路电流限制在300mA以下，就能避免电弧引发的火灾。这样的限制既不影响小功率用电器的正常供电，又能把故障电流限制在安全范围。只有小功率电源才有可能把电源内阻做得很大，这是小功率电源独有的优势。而现存的小功率开关电源恰恰没有发挥这个优势。

下面用两个简单的设计实例来证实上述设计理念的可行性。图二，是传统开关电源的简化输入电路，220V交流电从左端输入，整流滤波后的300V直流从右端输出供给逆变电路。

我们在输入电路中串入一个2μf的电容器，见图三。根据公式Xc=1/2πfC计算，这个电容对50Hz的交流电呈现约为1.6kΩ的阻抗。当开关电源发生短路时，最大的短路电流被这个1.6kΩ的电源内阻限定在137mA以内，小于生弧电流，不会有电弧发生。

内阻较高的电源最大的缺点是输出端电压随负载电流的变化而变化。但是开关电源有极宽的输入电压适应范围，负载在一定范围变化，不影响开关电源的工作。这个串有2μf电容器的输入电路做成的开关电源，可以为5W以下的小功率用电器供电（如手机充电器）。

如果我们在输入端串入一个正温度系数的热敏电阻（PTC），见图四。那么这就是一个内阻可变的电源。在给小功率用电器供电时，PTC呈现低阻抗，跟普通低内阻电源一样。当输出端发生短路时，流过PTC的电流增加，自身温度升高，达到居里温度点时，电阻剧增，把电流限定在几毫安的数量级。这样小的短路电流是绝对不会起火的。此例电源可以为15W以下的用电器供电。

通过上面两种简单设计，实例说明小功率开关电源完全可以用增加电源内阻的方法避免自身起火。

2、电路板的设计着眼于加大高电位差线路的线距。有资料介绍，0.8mm的线距能承受电压500~700V，这是在一定的试验条件下得出的结论。但设计者要从实际出发，多考虑一些不利因素，比如：电路板的板基材料优劣不等，吸湿特性不同，开关电源的使用条件又千差万别，设计时不能照搬上述资料。本人认为开关电源输入电路中的高电位差线路，线距不能小于1.5mm，焊盘与相邻焊盘及导线的距离不能小于2mm，位置条件允许时，距离要尽量大。

别小看这零点几毫米的增加，对于防止爬电、放电来说，安全系数成平方率的增加。因为绝缘介质的击穿，以及电弧的生成都与电场强度有关，而电场强度与距离的平方成反比。可见以减小线距求得体积的缩小是多么的得不偿失。

3、开关电源滤波电容器的选择。开关电源输出电路中的滤波电容器有时会发生爆炸，究其原因是电容器芯体的异常温升，使电容器内气体极度膨胀造成的。开关电源是以高频脉冲方式工作的，整流后的直流上叠加有较高频率的纹波电压，使滤波电容的损耗和漏电增加，产生异常温升。爆炸使电容器内的电解液四溅，会殃及输入电路，使绝缘降低，发生线路间漏电、爬电或发生电弧引发火灾。因而，输出电路的滤波电容器要选用高频低阻型电解电容器。而笔者所见到的小功率开关电源中，大都是普通铝电解电容器。

另外，输入电路中的滤波电容的形状也有选择的必要，有的设计者为了节省电路板的空间，常常选择细高型，笔者认为选短粗型为宜。因为短粗型的两个引脚间距离比细高型大，使电路板上的两引脚焊盘的距离也大一些，能有效抑制焊盘间的爬电。

4、对目前社会上拥有的大量小功率开关电源安全使用的建议。经常使用小功率开关电源的家庭、办公室、学生宿舍、宾馆客房等场所所需备一只小功率用电器专用的高内阻插座，小功率高内阻插座可以有很多设计方案，也可以参考前面提到的两个输入电路的设计实例制作。

如果小功率开关电源都采用高输入阻抗（即高内阻）的设计，或使用高内阻的安全插座，那么小功率开关电源的火灾发生率将趋向于零。

以上的方法也同样适用于其他各种小功率电源