陕西开关电源输出端反充电压的产生与保护
一、输出过压保护功能及反向电压差异点说明
为了提高开关电源产品的可靠性，开关电源会设计输出过压保护功能，防止产品内部某个元器件损坏后输出电压上升。电源后端的负载只能承受一定的电压，一旦输出电压升高，就会损坏电源后端的负载。为了防止这个问题，开关电源将设计一个输出过压保护电路，以提高系统的可靠性。
开关电源输出电压过压保护功能的原理如下：
根据上面图1的原理图，输出电压Vo的计算公式如下：电阻R1和R2为已知参数，Vref=2.5V
V0=[R1/R2 1] x Vref
在电路中，一旦下拉电阻R2短路，根据计算公式，Vo电压将变为无穷大。一旦输出电压上升到一定值，电源的负载就会损坏，系统就会烧坏。为了防止这一问题，电路中增加了一个输出过压保护电路。图2是输出过压保护电路的原理图之一。其工作原理如下：下拉电阻R2一旦短路，输出电压就会向上升高。一旦输出电压上升到齐纳二极管ZD1的击穿电压，齐纳二极管将工作以将输出电压箝位在齐纳二极管的击穿电压值，以防止输出电压上升到无穷大。此时，输出电压值将被齐纳二极管箝位在击穿电压值，不再上升。一般来说，稳压二极管ZD1的规格参数值比输出电压值高2-3V。
图2所示过压保护电路适用于输出功率小于75W的小功率电源产品。对于大功率电源产品，输出过压保护电路的设计是为了控制初级IC的工作，实现输出过压保护。产品过压保护时，输出电压处于打嗝输出模式或直接关断输出电压，防止输出功率过高损坏后续负载系统。因为电路比较复杂，这里就不解释原理了。
以上主要介绍了开关电源输出过压保护电路的工作原理和作用。部分客户在使用开关电源时，负载端输出电压向后，损坏开关电源产品或导致开关电源产品无法正常工作。这种情况下，客户会产生一个疑问：为什么开关电源产品本身具有输出过压保护功能，产品还是会损坏？
需要指出的是，开关电源的过压保护功能和电源的反压保护功能是两种不同的情况，不能混淆。开关的过压保护功能是电源的向外保护功能，防止外部负载系统受损；开关电源的抗反向能力是指外部电压对开关电源的影响，以避免产品输出有反向电压时开关电源的损坏。在这里，有必要区分这两种情况。下面的图3和图4可以很好地说明这两种情况的区别：
二、输出端反充电压产生的原因及保护对策
在开关电源中，根据反向电压产生的机理，在输出端产生反向电压有几种原因：
1.系统在不同输出电压之间切换时，高压会回流到低压电源，这是DC充电桩设备的通病；
2.开关电源的负载为感性负载，负载工作时会产生感应电动势，感应电动势产生的电压会回流到开关电源的输出端；
3.在氢氧水电解设备中，开关电源输出端也存在反向电压现象。
以下面三种情况下的反向电压为例，给出了这种情况下开关电源的危害和解决方法。
例1:开关电源在DC充电桩中的应用输出端抗反向电压解决方案：
市场上对新能源汽车的电池充电和BMS配电系统有很高的要求。为不同类型的车辆充电，要求DC充电桩中的辅助电源有12V和24V两个电压值。公交车充电系统的辅助电压源由24V供电，而汽车充电系统的辅助电压源由12V供电。DC充电桩和充电枪的应用方案框图如下图5和图6所示。
在实际应用中，当12V和24V电源系统的电压切换时，24V电压倒回到12V开关电源的输出端，导致12V开关电源损坏。
在电源设计中，输出电压为12V的开关电源输出端滤波电解电容的耐压值一般为16V。24V的电压一旦倒回电源的输出端，就相当于在16V的电解电容两端加了24V的电压，电解电容就会因为过压而损坏，导致12V的开关电源失效。
为了解决电压切换时输出端反向电压的上述问题，杨进生提供了相应的电源解决方案。
对于DC充电桩设备，我公司有两种解决方案：分立方案和集中方案。对于分立应用方案(两个开关电源，一个12V输出，一个24V输出)，12V输出电压的开关电源产品中输出滤波电解电容的规格值为35V。即使在输出端倒回24V电压，电解电容也在耐压规范值内，电解电容不存在过压损坏，解决了充电枪误操作造成的电源损坏问题。DC充电桩防反压开关电源具体型号为：LM150-2B12-BSB、LM150-2B12-CDZ、LM150-22B12-CDZ。
对于集中应用方案(将12V和24V输出电压集成在一个电源产品中，通过切换档位来选择输出电压):输出端的电解电容为普通电解电容，因此输出端滤波电解电容的耐压选择为63V的规格值，即使输出端有60VDC的反向电压也不会损坏输出滤波电解电容， 从而保证滤波电解电容的可靠工作，保证开关电源在输出端有反向电压时不会损坏。 DC充电桩设备集中供电的开关电源应用方案，杨进生具体型号为LM 150-12m 1224-Q示例2:防止带感性负载的开关电源输出反向电压的解决方案：
当开关的负载是诸如电动机或线圈的感性负载时，当电源接通时，输出电压/电流被加载到感性负载上。根据电磁感应定律：V=L x di/dt，
负载两端产生感应电压。感应电压将回流到开关电源的输出端。当产生的感应电压大于开关电源的过压保护电压时，感应电压可能会触发产品的过压保护功能，导致产品的输出电压关断或打嗝，输出电压无法正常建立。
因为感应电压仅在通电时产生，所以反向电压加载到电源输出端的时间很短。感应电压比较大，但是电流比较小，所以反向功率比较小。为了解决这个问题，可以在开关电源的输出端和负载之间连接一个抗反向电压二极管，二极管的单相导通特性可以有效地防止感应电压回流到开关电源的输出端。
电压回流防止二极管的规格选择参数如下：
1.电压规格值应大于感应电压值，以防止反向电压损坏连接的二极管；
2.当开关电源正常工作时，输出电流通过二极管流入负载。当电流流过时，二极管会因导通压降而产生功率损耗，导致二极管发热。为了防止二极管受热严重损坏，一般二极管的电流规格为电源额定输出电流的(5-10)Io，可以在二极管上加一个热沉，降低二极管工作时的温升。
系统正常工作时，防反向二极管的功率损耗如下：
p损失=VF * I0
(VF:二极管导通压降；0:流过二极管的电流)
用于在电源和负载连接之间连接防反向电压的二极管解决方案的框图如下：
D1为反压反向二极管，红色箭头为电源电流正常工作方向，绿色箭头为反向电压/电流方向。二极管D1的单向导通特性用于阻止反向电压/电流流向电源的输出端。
在图7中，如果开关电源的输出电流在正常操作期间相对较大，导致二极管的温升较高，则可以并联使用二极管来减少流经每个二极管的电流，从而减少操作期间二极管的温升，并提高系统的可靠性。当然，上图中的D1也可以用MOS管来防止反向电压，只是电路比较复杂。
例3:氢氧水电解设备中开关电源输出反反向电压的解决方案：
在工业领域或医疗辅助行业，需要氧气或氢气，也有客户利用水电解生产氧气和氢气。但是，水电解后，氧气和氢气会发生化学反应，同时会生成水，并排放到外界。这个放电电压会回流到系统前端开关电源的输出端，造成开关电源的反向电压/电流，影响开关电源的正常工作。情况3和情况2不同：情况2中，反向电压的存在时间只有系统上电时，系统正常工作后不会有反向电压；在第三种情况下，氧气和氢气总会反应产生反向电压，所以反向电压会持续加载到开关电源的输出端口。对于这个问题，也可以采用情况2的解决方案，但是需要在电源中增加更多的二极管。同时，对于输出电流较大的开关电源和负载系统，二极管的功率损耗和温升也是一个问题。结果，第二种方案的效率相对较低，并且不适合于具有高功率输出的开关电源系统。
对于高输出功率的开关电源产品，防止输出端反向电压的方案可以采用我们现有的产品：LIR-20。
该产品与第二种方案的反反向电压原理相同，同样利用了二极管的单相导电性。与第二种方案相比，第三种方案已经商业化，可以用于更高功率的系统。LIR-20不仅可以实现开关电源的抗反向电压功能，还可以用于并联冗余系统设计，提高系统的可靠性。
