開(kāi)關(guān)電源的沖擊電流控制方法 - 全文

1. 引言

　　開(kāi)關(guān)電源的輸入一般有濾波器來(lái)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(shí)可以看成是短路的，當(dāng)開(kāi)關(guān)電源上電時(shí)，會(huì)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(duì)沖擊電流不加以限制，不但會(huì)燒壞保險(xiǎn)絲，燒毀接插件，還會(huì)由于共同輸入阻抗而干擾附近的電器設(shè)備。

? 通信系統(tǒng)的最大沖擊電流限值

　　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(shí)的沖擊電流限值（DC/DC電源）

　　歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(the European Telecommunications Standards Institute)對(duì)用于通信系統(tǒng)的開(kāi)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(shí)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(shí)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(cè)量沖擊電流的大小。在測(cè)量沖擊電流時(shí)，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。

　　2. AC/DC開(kāi)關(guān)電源的沖擊電流限制方法

　　2.1 串連電阻法

　　對(duì)于小功率開(kāi)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(kāi)機(jī)時(shí)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(huì)降低保護(hù)層的作用，會(huì)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(duì)于110V、220V雙電壓輸入電路，應(yīng)該在R1和R2位置放兩個(gè)電阻，這樣在110V輸入連接線連接時(shí)和220V輸入連接線斷開(kāi)時(shí)的沖擊電流一樣大。對(duì)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(kāi)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(kāi)關(guān)電源第一次啟動(dòng)時(shí)，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(shí)的功耗減小。

　　用熱敏電阻法也由缺點(diǎn)，當(dāng)?shù)谝淮螁?dòng)后，熱敏電阻要過(guò)一會(huì)兒才到達(dá)其工作狀態(tài)電阻值，如果這時(shí)的輸入電壓在電源可以工作的最小值附近，剛啟動(dòng)時(shí)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(kāi)關(guān)電源關(guān)掉后，熱敏電阻需要一段冷卻時(shí)間來(lái)將阻值升高到常溫態(tài)以備下一次啟動(dòng)，冷卻時(shí)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(kāi)關(guān)電源關(guān)掉后馬上開(kāi)啟，熱敏電阻還沒(méi)有變冷，這時(shí)對(duì)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(kāi)啟的原因。

　　2.3 有源沖擊電流限制法

　　對(duì)于大功率開(kāi)關(guān)電源，沖擊電流限制器件在正常工作時(shí)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(shí)的沖擊電流大）

　　在圖6中，選擇R1作為啟動(dòng)電阻，在啟動(dòng)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(shí)的電阻值。在圖6中所畫(huà)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(dòng)時(shí)，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(kāi)始工作將電阻R1旁路，這樣在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的損耗會(huì)變得很小。

　　在這種可控硅啟動(dòng)電路中，很容易通過(guò)開(kāi)關(guān)電源主變壓器上的一個(gè)線圈來(lái)給可控硅供電。由開(kāi)關(guān)電源的緩啟動(dòng)來(lái)提供可控硅的延遲啟動(dòng)，這樣在電源啟動(dòng)前就可以通過(guò)電阻R1將輸入電容充滿電。

　　3. DC/DC開(kāi)關(guān)電源的沖擊電流限制方法

　　3.1 長(zhǎng)短針?lè)?/p>

　　圖7所示電路為長(zhǎng)短針?lè)_擊電流限制電路，在DC/DC電源板插入時(shí)，長(zhǎng)針接觸，輸入電容C1通過(guò)電阻R1充電，當(dāng)電源板完全插入時(shí)，電阻R1被斷針短路。C1代表DC/DC電源的所有電容量

? 長(zhǎng)短針?lè)_擊電流限制電路

　　圖7. 長(zhǎng)短針?lè)_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(guò)快，電容C1還沒(méi)充滿電時(shí)，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(lái)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(wú)源限制法的缺陷。MOS管有導(dǎo)通阻抗Rds_on低和驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)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(cè)上可以查到。

　　電容充放電快慢決定MOS管開(kāi)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(huì)減小MOS管內(nèi)部非線性柵漏電容Cgd在狀態(tài)間轉(zhuǎn)換時(shí)的作用。

　　外接電容C2被用來(lái)作為積分器對(duì)MOS管的開(kāi)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(dòng)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(shí)間常數(shù)C2*R2決定，這個(gè)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(lái)限制MOS管 Q1的柵源電壓。元器件R1，C1和D2用來(lái)保證MOS管Q1在剛上電時(shí)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(shí)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(mén)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(shí)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(duì)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(duì)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(lái)保護(hù)MOS管Q1的柵極以防止其過(guò)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(shí)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(cè)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。