直流开关电源的欠压浪涌抑制技术

周 政 王 鹏 史鹏涛 李万玉

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

直流开关电源具有效率高、体积小、重量轻以及稳定性好等优点，被广泛应用在航天、航空、雷达、通信等领域。随着直流开关电源的大量使用，其电磁兼容性、电源特性方面的要求也在不断提高。就直流开关电源的欠压浪涌考核试验而言，现已不只是局限于航电设备。图1给出了一般直流开关电源的设计框图［1］。

图1 开关电源设计基本连接图

大部分使用了直流开关电源的电子设备，如果其电源部分未采取欠压条件下的应对措施，那么欠压浪涌到来时极易造成设备短时无法正常工作(包括掉电、重启动等)，甚至造成设备损毁、系统瘫痪［2－3］。

1 欠压浪涌机理分析及抑制方法

图2、图3是给直流供电被测设备施加欠压浪涌而进行考核的试验阶梯电压。其中td为浪涌持续时间，通常为50ms或更小。

图2 欠压浪涌阶梯电压变化示意

图3 供电中断阶梯电压变化示意

为保证在欠压浪涌持续时间内，电子设备的开关电源功能不丧失且能稳定可靠地持续工作，就必须保证直流开关电源模块工作所需要消耗的能量，其值为:E(J)=伏.安.秒［4］。

其中，E欠压为维持欠压浪涌所需的能量，UP为开关电源稳态工作的额定电压，IP为开关电源稳态工作(带载)的额定电流。

通常情况下，保证在欠压浪涌持续过程中电源模块正常工作的设计措施是两种方案，即采取备用电池供电法和大容量电容补充能量法。由于电池含有液态物质、使用寿命短、增加额外重量等不利因素而不建议在设备中大范围推广使用，作为各项指标均占优势的大电容补充能量法而被广泛应用。

其中，C为所需的电容值，单位F;I为电路负载电流，单位A;ΔU为额定工作电压与浪涌电压之差，单位为V;td为欠压浪涌持续时间，单位为s。表1为电流在1～10A条件下的所需补充的电容值。

表1 输入电压28V、负载电流(1－10A)条件下的对应容值

2 过大的启动电流对设备造成的影响

由于在提高抗欠压浪涌的设计中采用了大电容补充能量的方法，引起供电设备无功功率提高，源端输入电流增大、启动电流激增，从而出现幅度比较大的尖峰毛刺电压，即电压尖峰［6］。

如图4所示，给出了基本的大电容补充能量来抑制欠压浪涌的设计原理。前端二极管D防止在28V输入电压中断时，由电容器补充的电流向源端流入;大电容C提供在输入电压中断工作条件下的能量补充，此时电容C充当了滤波电容的作用，对源端的共模噪声进行旁路滤波。

假设图4中的负载模块为纯线性阻抗结构，如图5给出的简化模型。通过网络拓扑结构，来计算上电瞬间(即启动瞬间)而产生的浪涌电压和电流。

其中，i总为流过电路的总电流;iC为流过电容器的电流;iR为负载端流过的电流。

通常情况下，上电瞬间都是毫秒级上电时间，假定上电时间为50ms，则源端的启动浪涌电流如表2所示。

表2 输入电压28V、负载电流(1－10A)条件下的对应的浪涌电流

可以看出，在满足瞬间掉电要求的同时用电设备必需承受2倍的启动电流的浪涌冲击。电压与电流又同时满足伏安特性，在同样负载的条件下就会在电源输入端产生至少两倍于源端电压的浪涌电压，长期遭受浪涌电压和浪涌电流的冲击，负载端的元器件很易遭到损毁，因而影响产品的正常使用。

3 减小浪涌电流的有效方法

从以上的分析可以看出，采用直流开关电源的产品在正常上电瞬间产生较大的浪涌电压和浪涌电流，为了避免负载端的电子设备遭到损毁，必须采取较为理想的浪涌抑制措施，衰减瞬时能量，方可降低产品风险［3，7］。

a.热敏电阻软启动电路

b.可控硅软启动电路

c.继电器软启动电路

一旦浪涌电压进入到开关电源前端可能损毁个别器件时，也可以增加浪涌抑制器实现对电压的抑制，使过电压始终嵌位在一定电压范围内，保证后级电路的正常工作。

4 结束语

本文提出的抑制直流开关电源瞬间断电所采取的措施，对提高产品的电源特性性能效果明显。但是，任何一种抑制措施都会产生一些次生影响，就本文论证的抑制方法而言，在一定程度上也会增加启动状态下的浪涌电压和电流，可能会降低开关电源的使用寿命。因此，采取浪涌抑制技术时需视产品具体特点而定。另一方面对于大功率开关电源使用时，若要抑制瞬间断电则补偿的电容将是非常大，不便于安装与使用，因此对于大功率开关电源建议不考核瞬间断电而确保其在正常使用环境中的应用。

［1］白同云，吕晓德.电磁兼容设计［M］.北京:北京邮电大学出版社，2001，3.

［2］国家军用标准GJB181-1986.飞机供电特性及对用电设备的要求［S］.

［3］国家军用标准GJB181A-2003.飞机供电特性［S］.

［4］曲学基，王增福，曲敬铠.新编高频开关稳压电源［M］.北京:电子工业出版社，2005，11.

［5］柯达里(Kodali，V.P.)编著，陈淑凤等译.工程电磁兼容［M］.北京:人民邮电出版社，2006，10.

［6］刘雨鑫.一种高集成度的DC-DC开关电源软启动电路［J］.华中科技大学学报，2011，(2):108－111.

［7］曹才开.开关电源保护电路的研究［J］.继电器，2007，35:462－466.