开关电源的冲击电流控制方法

1. 引言

  开关电源的输入普通有滤波器来减小电源反应到输入的纹波,输入滤波器普通有电容和电感组成∏形滤波器,图1. 和图2. 分别为典型的AC/DC电源输入电路和DC/DC电源输入电路

由于电容器在瞬态时能够看成是短路的,当开关电源上电时,会产生十分大的冲击电流,冲击电流的幅度要比稳态工作电流大很多,如对冲击电流不加以限制,不但会烧坏保险丝,烧毁接插件,还会由于共同输入阻抗而干扰左近的电器设备。

图3. 通讯系统的最大冲击电流限值(AC/DC电源)

图4. 通讯系统在标称输入电压和最大输出负载时的冲击电流限值(DC/DC电源)
 欧洲电信规范协会(the European Telecommunications Standards Institute)对用于通讯系统的开关电源的冲击电流大小做了规则,图3为通讯系统用AC/DC电源供电时的最大冲击电流限值[4],图4为通讯系统在DC/DC电源供电,标称输入电压和最大输出负载时的最大冲击电流限值[5]。图中It为冲击电流的瞬态值,Im为稳态工作电流。
  冲击电流的大小由很多要素决议,如输入电压大小,输入电线阻抗,电源内部输入电感及等效阻抗,输入电容等效串连阻抗等。这些参数依据不同的电源系统和规划不同而不同,很难停止预算,最准确的办法是在实践应用中丈量冲击电流的大小。在丈量冲击电流时,不能因引入传感器而改动冲击电流的大小,引荐用的传感器为霍尔传感器。

2. AC/DC开关电源的冲击电流限制办法

2.1 串连电阻法

  关于小功率开关电源,能够用象图5的串连电阻法。假如电阻选得大,冲击电流就小,但在电阻上的功耗就大,所以必需选择折衷的电阻值,使冲击电流和电阻上的功耗都在允许的范围之内

图5. 串连电阻法冲击电流控制电路(适用于桥式整流和倍压电路,其冲击电流相同)


  串连在电路上的电阻必需能接受在开机时的高电压和大电流,大额定电流的电阻在这种应用中比拟合适,常用的为线绕电阻,但在高湿度的环境下,则不要用线绕电阻。因线绕电阻在高湿度环境下,瞬态热应力和绕线的收缩会降低维护层的作用,会因湿气入侵而惹起电阻损坏。
  图5所示为冲击电流限制电阻的通常位置,关于110V、220V双电压输入电路,应该在R1和R2位置放两个电阻,这样在110V输入衔接线衔接时和220V输入衔接线断开时的冲击电流一样大。关于单输入电压电路,应该在R3位置放电阻。

2.2 热敏电阻法

  在小功率开关电源中,负温度系数热敏电阻(NTC)常用在图5中R1,R2,R3位置。在开关电源第一次启动时,NTC的电阻值很大,可限制冲击电流,随着NTC的本身发热,其电阻值变小,使其在工作状态时的功耗减小。
  用热敏电阻法也由缺陷,当第一次启动后,热敏电阻要过一会儿才抵达其工作状态电阻值,假如这时的输入电压在电源能够工作的最小值左近,刚启动时由于热敏电阻阻值还较大,它的压降较大,电源就可能工作在打嗝状态。另外,当开关电源关掉后,热敏电阻需求一段冷却时间来将阻值升高到常温态以备下一次启动,冷却时间依据器件、装置方式、环境温度的不同而不同,普通为1分钟。假如开关电源关掉后马上开启,热敏电阻还没有变冷,这时对冲击电流失去限制造用,这就是在运用这种办法控制冲击电流的电源不允许在关掉后马上开启的缘由。

2.3 有源冲击电流限制法

关于大功率开关电源,冲击电流限制器件在正常工作时应该短路,这样能够减小冲击电流限制器件的功耗

图6. 有源冲击电流限制电路 (桥式整流时的冲击电流大)


  在图6中,选择R1作为启动电阻,在启动后用可控硅将R1旁路,因在这种冲击电流限制电路中的电阻R1能够选得很大,通常不需求改动110V输入倍压和220V输入时的电阻值。在图6中所画为双向可控硅,也能够用晶闸管或继电器将其替代。
  图6所示电路在刚启动时,冲击电流被电阻R1限制,当输入电容充溢电后,有源旁路电路开端工作将电阻R1旁路,这样在稳态工作时的损耗会变得很小。
  在这种可控硅启动电路中,很容易经过开关电源主变压器上的一个线圈来给可控硅供电。由开关电源的缓启动来提供可控硅的延迟启动,这样在电源启动前就能够经过电阻R1将输入电容充溢电。

3. DC/DC开关电源的冲击电流限制办法

3.1 长短针法

  图7所示电路为长短针法冲击电流限制电路,在DC/DC电源板插入时,长针接触,输入电容C1经过电阻R1充电,当电源板完整插入时,电阻R1被断针短路。C1代表DC/DC电源的一切电容量

图7. 长短针法冲击电流限制电路


  这种办法的缺陷是插入的速度不能控制,如插入速渡过快,电容C1还没充溢电时,短针就曾经接触,冲击电流的限制效果就不好。

  也可用热敏电阻法来限制冲击电流,但由于DC/DC电源的输入电压较低,输入电流较大,在热敏电阻上的功耗也较大,普通不用此办法。

3.2 有源冲击电流限制法

3.2.1 应用MOS管限制冲击电流

  应用MOS管控制冲击电流能够克制无源限制法的缺陷。MOS管有导通阻抗Rds_on低和驱动简单的特性,在四周加上少量元器件就能够做成冲击电流限制电路。
  MOS管是电压控制器件,其极间电容等效电路如图8所示。

图8. 带外接电容C2的N型MOS管极间电容等效电路


  MOS管的极间电容栅漏电容Cgd、栅源电容Cgs、漏源电容Cds能够由以下公式肯定:

公式中MOS管的反应电容Crss,输入电容Ciss和输出电容Coss的数值在MOS管的手册上能够查到。
  电容充放电快慢决议MOS管开通和关断的快慢,为确保MOS管状态间转换是线性的和可预知的,外接电容C2并联在Cgd上,假如外接电容C2比MOS管内部栅漏电容Cgd大很多,就会减小MOS管内部非线性栅漏电容Cgd在状态间转换时的作用。
  外接电容C2被用来作为积分器对MOS管的开关特性停止准确控制。控制了漏极电压线性度就能准确控制冲击电流。
 
  电路描绘:
  图9所示为基于MOS管的自启动有源冲击电流限制法电路。MOS管 Q1放在DC/DC电源模块的负电压输入端,在上电霎时,DC/DC电源模块的第1脚电平和第4脚一样,然后控制电路按一定的速率将它降到负电压,电压降落的速度由时间常数C2*R2决议,这个斜率决议了最大冲击电流。
  C2能够按以下公式选定:

  R2由允许冲击电流决议:

  其中Vmax为最大输入电压,Cload为C3和DC/DC电源模块内部电容的总和,Iinrush为允许冲击电流的幅度。

图9. 有源冲击电流限制法电路

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  D1用来限制MOS管 Q1的栅源电压。元器件R1,C1和D2用来保证MOS管Q1在刚上电时坚持关断状态。
  上电后,MOS管的栅极电压要渐渐上升,当栅源电压Vgs高到一定水平后,二极管D2导通,这样一切的电荷都给电容C1以时间常数R1×C1充电,栅源电压Vgs以相同的速度上升,直到MOS管Q1导通产生冲击电流。
  以下是计算C1和R1的公式:
^R`A-/M--http://www.cn-pe.cn#OO}?m

  其中Vth为MOS管Q1的最小门槛电压,VD2为二极管D2的正导游通压降,Vplt为产生Iinrush冲击电流时的栅源电压。Vplt能够在MOS管供给商所提供的产品材料里找到。

  MOS管选择
  以下参数关于有源冲击电流限制电路的MOS管选择十分重要:
l 漏极击穿电压 Vds
  必需选择Vds比最大输入电压Vmax和最大输入瞬态电压还要高的MOS管,关于通讯系统中用的MOS管,普通选择Vds≥100V。
l 栅源电压Vgs
  稳压管D1是用来维护MOS管Q1的栅极以避免其过压击穿,显然MOS管Q1的栅源电压Vgs必需高于稳压管D1的最大反向击穿电压。普通MOS管的栅源电压Vgs为20V,引荐12V的稳压二极管。
l 导通电阻Rds_on.
  MOS管必需可以耗散导通电阻Rds_on所惹起的热量,热耗计算公式为:
c82gHUv--

  其中Idc为DC/DC电源的最大输入电流,Idc由以下公式肯定:
KFP`

  其中Pout为DC/DC电源的最大输出功率,Vmin为最小输入电压,η为DC/DC电源在输入电压为Vmin输出功率为Pout时的效率。η能够在DC/DC电源供给商所提供的数据手册里查到。MOS管的Rds_on必需很小,它所惹起的压降和输入电压相比才能够疏忽。


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