開關(guān)電源的沖擊電流控制方法

1. 引言

　　開關(guān)電源的輸入一般有濾波器來減小電源反饋到輸入的紋波，輸入濾波器一般有電容和電感組成∏形濾波器，圖1. 和圖2. 分別為典型的AC/DC電源輸入電路和DC/DC電源輸入電路
   

由于電容器在瞬態(tài)時可以看成是短路的，當(dāng)開關(guān)電源上電時，會產(chǎn)生非常大的沖擊電流，沖擊電流的幅度要比穩(wěn)態(tài)工作電流大很多，如對沖擊電流不加以限制，不但會燒壞保險絲，燒毀接插件，還會由于共同輸入阻抗而干擾附近的電器設(shè)備。

圖3.　通信系統(tǒng)的最大沖擊電流限值（AC/DC電源）

圖4.　通信系統(tǒng)在標(biāo)稱輸入電壓和最大輸出負(fù)載時的沖擊電流限值（DC/DC電源）
　歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(the European Telecommunications Standards Institute)對用于通信系統(tǒng)的開關(guān)電源的沖擊電流大小做了規(guī)定，圖3為通信系統(tǒng)用AC/DC電源供電時的最大沖擊電流限值[4]，圖4為通信系統(tǒng)在DC/DC電源供電，標(biāo)稱輸入電壓和最大輸出負(fù)載時的最大沖擊電流限值[5]。圖中It為沖擊電流的瞬態(tài)值，Im為穩(wěn)態(tài)工作電流。
　　沖擊電流的大小由很多因素決定，如輸入電壓大小，輸入電線阻抗，電源內(nèi)部輸入電感及等效阻抗，輸入電容等效串連阻抗等。這些參數(shù)根據(jù)不同的電源系統(tǒng)和布局不同而不同，很難進(jìn)行估算，最精確的方法是在實(shí)際應(yīng)用中測量沖擊電流的大小。在測量沖擊電流時，不能因引入傳感器而改變沖擊電流的大小，推薦用的傳感器為霍爾傳感器。[!--empirenews.page--]

2. AC/DC開關(guān)電源的沖擊電流限制方法

2.1 串連電阻法

　　對于小功率開關(guān)電源，可以用象圖5的串連電阻法。如果電阻選得大，沖擊電流就小，但在電阻上的功耗就大，所以必須選擇折衷的電阻值，使沖擊電流和電阻上的功耗都在允許的范圍之內(nèi)

圖5. 串連電阻法沖擊電流控制電路（適用于橋式整流和倍壓電路，其沖擊電流相同）

　　串連在電路上的電阻必須能承受在開機(jī)時的高電壓和大電流，大額定電流的電阻在這種應(yīng)用中比較適合，常用的為線繞電阻，但在高濕度的環(huán)境下，則不要用線繞電阻。因線繞電阻在高濕度環(huán)境下，瞬態(tài)熱應(yīng)力和繞線的膨脹會降低保護(hù)層的作用，會因濕氣入侵而引起電阻損壞。
　　圖5所示為沖擊電流限制電阻的通常位置，對于110V、220V雙電壓輸入電路，應(yīng)該在R1和R2位置放兩個電阻，這樣在110V輸入連接線連接時和220V輸入連接線斷開時的沖擊電流一樣大。對于單輸入電壓電路，應(yīng)該在R3位置放電阻。

2.2 熱敏電阻法

　　在小功率開關(guān)電源中，負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）常用在圖5中R1，R2，R3位置。在開關(guān)電源第一次啟動時，NTC的電阻值很大，可限制沖擊電流，隨著NTC的自身發(fā)熱，其電阻值變小，使其在工作狀態(tài)時的功耗減小。
　　用熱敏電阻法也由缺點(diǎn)，當(dāng)?shù)谝淮螁雍?，熱敏電阻要過一會兒才到達(dá)其工作狀態(tài)電阻值，如果這時的輸入電壓在電源可以工作的最小值附近，剛啟動時由于熱敏電阻阻值還較大，它的壓降較大，電源就可能工作在打嗝狀態(tài)。另外，當(dāng)開關(guān)電源關(guān)掉后，熱敏電阻需要一段冷卻時間來將阻值升高到常溫態(tài)以備下一次啟動，冷卻時間根據(jù)器件、安裝方式、環(huán)境溫度的不同而不同，一般為1分鐘。如果開關(guān)電源關(guān)掉后馬上開啟，熱敏電阻還沒有變冷，這時對沖擊電流失去限制作用，這就是在使用這種方法控制沖擊電流的電源不允許在關(guān)掉后馬上開啟的原因。

2.3 有源沖擊電流限制法

對于大功率開關(guān)電源，沖擊電流限制器件在正常工作時應(yīng)該短路，這樣可以減小沖擊電流限制器件的功耗

圖6. 有源沖擊電流限制電路 （橋式整流時的沖擊電流大）

　　在圖6中，選擇R1作為啟動電阻，在啟動后用可控硅將R1旁路，因在這種沖擊電流限制電路中的電阻R1可以選得很大，通常不需要改變110V輸入倍壓和220V輸入時的電阻值。在圖6中所畫為雙向可控硅，也可以用晶閘管或繼電器將其替代。
　　圖6所示電路在剛啟動時，沖擊電流被電阻R1限制，當(dāng)輸入電容充滿電后，有源旁路電路開始工作將電阻R1旁路，這樣在穩(wěn)態(tài)工作時的損耗會變得很小。
　　在這種可控硅啟動電路中，很容易通過開關(guān)電源主變壓器上的一個線圈來給可控硅供電。由開關(guān)電源的緩啟動來提供可控硅的延遲啟動，這樣在電源啟動前就可以通過電阻R1將輸入電容充滿電。[!--empirenews.page--]

3. DC/DC開關(guān)電源的沖擊電流限制方法

3.1 長短針法

　　圖7所示電路為長短針法沖擊電流限制電路，在DC/DC電源板插入時，長針接觸，輸入電容C1通過電阻R1充電，當(dāng)電源板完全插入時，電阻R1被斷針短路。C1代表DC/DC電源的所有電容量

圖7. 長短針法沖擊電流限制電路

　　這種方法的缺陷是插入的速度不能控制，如插入速度過快，電容C1還沒充滿電時，短針就已經(jīng)接觸，沖擊電流的限制效果就不好。

　　也可用熱敏電阻法來限制沖擊電流，但由于DC/DC電源的輸入電壓較低，輸入電流較大，在熱敏電阻上的功耗也較大，一般不用此方法。

3.2 有源沖擊電流限制法

3.2.1 利用MOS管限制沖擊電流

　　利用MOS管控制沖擊電流可以克服無源限制法的缺陷。MOS管有導(dǎo)通阻抗Rds_on低和驅(qū)動簡單的特點(diǎn)，在周圍加上少量元器件就可以做成沖擊電流限制電路。
　　MOS管是電壓控制器件，其極間電容等效電路如圖8所示。

圖8. 帶外接電容C2的N型MOS管極間電容等效電路

　　MOS管的極間電容柵漏電容Cgd、柵源電容Cgs、漏源電容Cds可以由以下公式確定：

公式中MOS管的反饋電容Crss,輸入電容Ciss和輸出電容Coss的數(shù)值在MOS管的手冊上可以查到。[!--empirenews.page--]
　　電容充放電快慢決定MOS管開通和關(guān)斷的快慢，為確保MOS管狀態(tài)間轉(zhuǎn)換是線性的和可預(yù)知的，外接電容C2并聯(lián)在Cgd上，如果外接電容C2比MOS管內(nèi)部柵漏電容Cgd大很多，就會減小MOS管內(nèi)部非線性柵漏電容Cgd在狀態(tài)間轉(zhuǎn)換時的作用。
　　外接電容C2被用來作為積分器對MOS管的開關(guān)特性進(jìn)行精確控制?？刂屏寺O電壓線性度就能精確控制沖擊電流。
　
　　電路描述：
　　圖9所示為基于MOS管的自啟動有源沖擊電流限制法電路。MOS管 Q1放在DC/DC電源模塊的負(fù)電壓輸入端，在上電瞬間，DC/DC電源模塊的第1腳電平和第4腳一樣，然后控制電路按一定的速率將它降到負(fù)電壓，電壓下降的速度由時間常數(shù)C2*R2決定，這個斜率決定了最大沖擊電流。
　　

圖9. 有源沖擊電流限制法電路

D1用來限制MOS管 Q1的柵源電壓。元器件R1，C1和D2用來保證MOS管Q1在剛上電時保持關(guān)斷狀態(tài)。
　　上電后，MOS管的柵極電壓要慢慢上升，當(dāng)柵源電壓Vgs高到一定程度后，二極管D2導(dǎo)通，這樣所有的電荷都給電容C1以時間常數(shù)R1×C1充電，柵源電壓Vgs以相同的速度上升，直到MOS管Q1導(dǎo)通產(chǎn)生沖擊電流。
其中Vth為MOS管Q1的最小門檻電壓，VD2為二極管D2的正向?qū)▔航?，Vplt為產(chǎn)生Iinrush沖擊電流時的柵源電壓。Vplt可以在MOS管供應(yīng)商所提供的產(chǎn)品資料里找到。

　　MOS管選擇
　　以下參數(shù)對于有源沖擊電流限制電路的MOS管選擇非常重要：
l 漏極擊穿電壓 Vds 
　　必須選擇Vds比最大輸入電壓Vmax和最大輸入瞬態(tài)電壓還要高的MOS管，對于通訊系統(tǒng)中用的MOS管，一般選擇Vds≥100V。
l 柵源電壓Vgs
　　穩(wěn)壓管D1是用來保護(hù)MOS管Q1的柵極以防止其過壓擊穿，顯然MOS管Q1的柵源電壓Vgs必須高于穩(wěn)壓管D1的最大反向擊穿電壓。一般MOS管的柵源電壓Vgs為20V，推薦12V的穩(wěn)壓二極管。
其中Pout為DC/DC電源的最大輸出功率，Vmin為最小輸入電壓，η為DC/DC電源在輸入電壓為Vmin輸出功率為Pout時的效率。η可以在DC/DC電源供應(yīng)商所提供的數(shù)據(jù)手冊里查到。MOS管的Rds_on必須很小，它所引起的壓降和輸入電壓相比才可以忽略。

圖10. 有源沖擊電流限制電路在75V輸入