文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2015)01-0142-03
0 引言
阻容降壓電源設計簡單，元件少，制造和使用都較可靠，在家電、照明等行業大量應用。但隨著技術的發展，產品種類越來越多，通過電網對阻容降壓電源產生越來越大的影響，表現為電阻發熱嚴重，甚至引起火災，起火案例呈上升趨勢。國家消防電子產品質量監督檢驗中心2011年11月9日在《征求意見通知<電器產品消防安全通用要求>等三項》的意見是“民用電器產品中主電源降壓裝置不應使用阻容降壓方式”[1]。
許多廠家找不到原因，無法有效改進，給社會帶來嚴重隱患。本文通過理論分析、試驗測試、市場反饋調查，尋找阻容降壓電源起火的原因，進行針對性的改善，保護用戶的生命財產安全。
1 起火現象介紹
圖1為典型的阻容降壓電源原理圖，圖中MC2為起降壓作用的電容，R2為降低上電瞬間的浪涌電流的電阻(本文未特殊說明，所提到的電容和電阻就是這兩個元件)。起火的產品上，電阻下的PCB板發黑碳化，電阻溫度明顯過高，此高溫易引燃附近的塑料等易燃材料，最終引起火災。
2 起火原因分析
2.1 內部原因
2.1.1 設計分析
以圖1為例，電容容量C為1 ?滋F，電阻為20 Ω(2 W)，輸入電壓UN和頻率fN分別為220 V、50 Hz，則電阻流過的電流IN近似為：
IN=2πfNCUN≈0.06 9 A(1)
電阻消耗的功率為：
實測電阻溫度小于10 kΩ，這不會讓電阻發熱，引起電路板損壞和著火。
2.1.2 失效模式分析
表1對圖1進行失效模式分析，找到電阻過熱的兩個可能原因：“電容虛焊”和“電阻虛焊”。這兩個原因會引起焊點頻繁打火，等效為電容短路，產生峰值為11 A的浪涌電流，如浪涌電流持續，會讓電阻過熱。但實際情況是，失效樣品上的這些焊接明顯是可靠的，“電容虛焊”和“電阻虛焊”不是電阻發熱的主要原因。
2.1.3 品質缺陷分析
圖1電路能通過《GB 4706.1 家用和類似用途電器的安全 第一部分：通用要求》所有測試標準，也能通過鹽霧、高溫高濕、高低溫交變等家電行業的常規測試，品質缺陷不是電阻發熱的原因。
2.2 外部原因
對電阻過熱的用戶抽樣4個，檢查能引起電阻過熱的外部原因，統計結果見表2。從表中可以看出，電磁爐是最可能的原因。
為了驗證電磁爐對阻容降壓電源的影響，隨機購買一個電磁爐，采用圖1電路，按圖2配置做了一個模擬測試，模擬用戶環境，將電磁爐與阻容電路共用一個插排，測量電阻的溫度。圖中電感的作用是將電磁爐的干擾與電網隔開，防止干擾傳到電網。
將電磁爐開到2 000 W，環境溫度為24 ℃，測試發現在1 min內，電阻的溫度上升到180 ℃，這種高溫能引起著火。
電磁爐的工作原理是由整流電路將市電變成約300 V的直流電壓，再經過控制電路以20～40 kHz的頻率開關IGBT，將高頻高壓加到電磁爐線圈盤上，產生的交變磁場在鍋具底部產生渦流，使鍋底迅速發熱，然后再加熱器具內的東西。
這種對高壓進行高頻通斷的操作方式產生強大的干擾，電磁爐行業因成本原因，一般都不會在電源端口加濾波元件，或加的濾波元件效果不大，端子騷擾電壓和騷擾功率遠遠高于其他家電標準，有大量的諧波信號耦合到電網中。高頻諧波信號施加到阻容降壓電路后，由于頻率與電容的容抗成反比，諧波將直接穿過電容，幾乎全部加到電阻上。實測干擾是幅值超過30 V、頻率與IGBT開關頻率的近似正弦波。
為具體說明電磁爐的影響，設電阻R為20 ，電容C為1 F，干擾頻率fr為20 kHz，干擾電壓Ur為30 V，計算加到電阻上的功率。
電容容抗XC：
電阻電流I：
電阻功率P：
P=I2R=38.8 W(5)
阻容降壓電源的電阻功率一般為2 W，如果加38.8 W，電阻溫度將非常高。
2.3 起火原因總結
從內部查找原因，不管是從設計、制造，還是從測試方法上，均不能找到電阻過熱的原因，而從外部原因上能分析得出電磁爐是最可能的原因。市場不良于2010年開始大量產生，同期國家正實施家電下鄉補貼政策，有大量的電磁爐銷售，這些情況表明電磁爐是電阻溫度過高、引起火災的重要原因。
3 阻容降壓電源的改進
3.1 理論分析
已經知道電磁爐能造成電阻過熱，進一步分析出微波爐、開關電源產品（手機充電器等）也有影響，它們的工作頻率均高于電磁爐，干擾能量低。對于高頻干擾，阻容降壓電路中串聯一個電感能抑制，如能抑制電磁爐的20 kHz的干擾，就能抑制更高頻率的電器干擾（其他電器干擾頻率高，但能量低），能防止目前市場上幾乎所有電器產生的干擾。
下面按圖1計算應能防干擾的電感的電感量L和電流。相關定義如下：
P：電阻最大功率，2 W；
R：電阻阻值，20 Ω；
C：電容容值，1 F；
UN：電網電壓，220 V；
fN：電網頻率，50 Hz；
T：電網周期，0.02 s；
IN：阻容降壓電源額定電流；
Ur：電磁爐干擾電壓，30 V；
fr：電磁爐干擾頻率，20 kHz以上；
Ir：電磁爐干擾電流；
I：電阻上總電流；
α：Ir與IN的相位差；
XL：電感在20 kHz時的感抗；
XC：電容在20 kHz時的容抗。
根據有效值的定義：
由于fr在20 kHz以上，式(6)后2項近似為零，由此得：
按式(7)得允許的最大電磁爐干擾電流為：
在電磁爐干擾時，有|(R+jXL-jXc)|Ir=Ur，所以電感的感抗XL為：
代入參數得XL=103.1 Ω
電感量L為：
取1.5 mH，計算出加了電感后的電路最終數據如下：
電阻所加最大功率P=I2×R=0.64 W。
為防止電感飽和，電感的電流規格應約為電阻總電流(0.179 A)的1.414倍，取0.25 A。所以圖1電阻過熱的解決方法是在阻容降壓電路上串聯一個1.5 mH/0.25 A的電感。
3.2 測試驗證
不同配置的阻容降壓電源串聯電感后，電阻的溫升數據見表3，可以看出溫升下降很多，改進有明顯效果。測試時有意選用電流低于理論值的電感，數據表明實際干擾低于理論值，電感均未飽和。
測試數據表明電感選型有以下規律：
(1)電感量選用大，就允許電流小，這對選用電感時考慮體積很重要。
(2)干擾抑制程度只與電感量有關系。電容容量和電阻阻值大時，應選用大電感量。
(3)電阻阻值過小時，發熱降低很多，但電流規格會大，需要考慮電感飽和。
4 總結
阻容降壓電源串聯電感能有效抑制電網上的各種諧波干擾，本方案實施已3年，生產約有300萬臺產品，未再有電阻過熱的案例發生。
實際應用時，電阻發熱會加熱電感，要考慮電感的居里溫度點，電感溫度超過居里溫度點就沒有感量。常見電感選用錳鋅鐵氧體（MX系列），居里溫度范圍為100±20 ℃，最低只有80 ℃。以風扇為例，夏天正常環境溫度為40 ℃，受到干擾后溫升為37 K，則電感溫度為77 ℃，可以保證正常工作；如果環境溫度為45 ℃，電感溫度將達到82 ℃，這將使一些電感失去感量，有一定的不良率。因此，設計時要讓電感盡量遠離電阻等發熱元件。
另外，本文僅從當前家電現狀進行分析，不排除會出現比電磁爐干擾更嚴重的電器產品出現，對此處理方法是：(1)確定電感規格時，優選大電感量，擴大電感對干擾的抑制范圍；(2)采用非隔離BULK式開關電源。隨著開關電源芯片的大量普及使用，成本已經和阻容降壓電源相當。
參考文獻
[1] 國家消防電子產品質量監督檢驗中心．電器產品消防安全通用要求（征求意見稿）[EB/OL].(2011-11-09)[20140814]．http://www.efire.cn/Shownews.aspx?id=540.