直流电源浪涌电流抑制电路研究

［吕宏伟 覃波 付益］



直流电源浪涌电流抑制电路研究

［吕宏伟 覃波 付益］

摘要

文章介绍了直流电源浪涌电流产生的原因及危害，并对传统浪涌电流抑制电路进行分析，指出其局限性，并提出一种新型的基于MOSFET的浪涌电流抑制电路。该电路经过实验验证，具备优秀的浪涌电流抑制能力，最终成功应用于航天星载开关电源中。

关键词：浪涌电流 直流电源 抑制 MOSFET

吕宏伟

男，中国电子科技集团公司第三十四研究院，工程师，现从事光电子技术的研究。

覃波

中国电子科技集团公司第三十四研究所。

付益

中国电子科技集团公司第三十四研究所。

引言

所谓浪涌，是一种突发性瞬态电压或者电流脉冲，是指电源接通瞬间，引起流入电源设备的峰值电压或电流，此类电压或者电流的脉冲宽度甚至可以短到纳秒数量级。当电源上电瞬间，由于加在滤波电容上的瞬态电压很大，将引起很大的浪涌电流，这些滤波电容（包括外部电容和寄生电容）的作用相当于一根短路线，产生上升很快的瞬时浪涌电流。浪涌电流的尖峰可能比稳态电流大的多，如果浪涌电流不加以抑制，就很可能会烧毁保险丝，损坏连接器的引脚，因此电流尖峰和电流上升下降斜率必须被有效的控制。

通常以下几种情况会引起浪涌电流产生[1]：

（1）电源开、关瞬间；

（2）同一电网中其他用电设备的开关动作；

（3）雷电感应；

（4）电路中电子元器件的引脚接触不良（如虚焊或者电连接头松动等），造成电源时通时断；

（5）电子元器件带电插拔；

（6）电子元器件参数突变；

（7）示波器等检测设备使用时探头带电；

（8）电烙铁或人体静电。

图1为直流+28 V电源经DC-DC电源模块转化成+5 V后给负载电路上电（未加抑制电路）的简化示意图，测试点1、2分别为+28 V、+5 V的浪涌电流测试点，测试工具为电流钳（1 A/100 mV）、示波器等。图2为测试点1、2处测试到的浪涌电流实测变化曲线，+28 V处峰值浪涌电流为4.19 A，+5V处峰值浪涌电流为3.44 A，而负载电路稳定工作电流仅为200 mA左右，可见电路上电瞬间产生的浪涌电流对电源母线及电路自身安全是一个十分可怕的隐患。

图1　电源供电示

图2　电源上电瞬间产生的浪涌电流

1　传统浪涌电流抑制电路分析

传统的电子设备采用熔断器作为浪涌电流抑制器[3]。熔断器是在玻璃管中封装的一根熔丝，熔丝的开断时间与通过熔丝的电流幅度之间具有反时限的安-秒特性，即通过的电流幅值越大，开断的时间越短，熔断器是一次性器件，熔丝一旦烧断，熔断器就报废了，这就大大限制了熔断器作为浪涌电流抑制功能的应用，尤其是在航空航天领域。现如今有一种能自重置的熔丝正在取代一次性熔丝，并在电子线路的浪涌保护中发挥作用，这种熔丝由聚合物载体充以导电微粒组成，在熔断状态下，导电微粒互相保持接触，熔丝呈现低阻态，当通过熔丝的电流接近某一个阈值时，熔丝的自身加热引起导电微粒重新排列，互相之间失去约束，使熔丝表现为高阻态。但是从聚合物熔丝的工作原理可以看出，聚合物熔断器的响应时间较长，不适合作灵敏的、高速的浪涌电流抑制器。

使用大电感或者是和电容串联电阻来抑制浪涌电流[2]，如图3。大电感带来的问题是电源的体积增大和重量增加，而串联电阻造成电源转换效率降低。为了克服串联电阻带来的功率损失，许多设计者在电阻两端并联一个开关（半导体器件或者是继电器）。继电器的尺寸和重量取决于工作电流，而且必须设计特定的控制电路来控制继电器的通断，增加了电路的复杂度，从一定程度上也降低了电源的可靠性。在一些场合中也可以在电阻两端并联半导体器件，如SCR。这些器件的使用也带来体积过大以及功耗较大的问题，同时还要设计专门的控制电路来控制SCR的通断，因此增加了电路的复杂性并降低了电路的可靠性。

图3　传统抑制浪涌电流的方法

2　新型浪涌电流抑制电路的设计

本文提出一种新型的浪涌电流抑制电路。该电路采用MOSFET配合其它外围电路来实现浪涌电流的抑制。之所以选择MOSFET来抑制浪涌电流，主要是由于其具备如下特点：

（1）MOSFET是多子压控型器件，具有很快的开关速度；

（2）开关损耗小；

（3）栅极驱动方式简单；

（4）RDS低，因此在MOSFET导通状态下，漏-源极之间导通压降也较低，一定程度上提高电源效率。

以MOSFET管NTMD6N03R2为例，MOSFET的开关速度取决于输入电容充放电的速度，从MOSFET的栅极电荷转移特性曲线（见图4）可以看出，当栅源电压VGS上升并保持在 Vplt（产品手册中可查到）时，漏源电压从VDS迅速下降到10％位置之后，缓慢下降到Vdss，从RDS与ID关系曲线（见图5）中可以看出，内阻RDS变化非常微小，可以忽略不计，此时IDS几乎保持不变，dVDS/dt得到了很好的控制。因此，采用MOSFET管作为浪涌电流抑制的核心器件主要就是利用利用了MOSFET在VGS上升并保持在 Vplt过程中对dVDS/dt很好的控制能力这个功能。

图6所示电路为直流+28V电源浪涌抑制电路，其中MOSFET M1被置于电路的回路中，经过抑制后的浪涌最大电流取决于电路R5、R67并联后的阻值与电容C1、C24串联后容值的乘积(阻、容值需依据实际情况经试验测试确定)，电阻R7的功能是对+28 V输入电压进行分压，使得M1的栅-源电压VGS不会超限而导致器件损坏，稳压二极管V1的功能是限制M1的栅-源电压由于输入+28V电源不稳定而导致VGS超限，从而损坏器件。

图4　RDS与ID关系曲线[4]

图5　MOSFET栅极电荷转移特性曲线[4]

如7所示电路为直流+5V电源浪涌抑制电路，其工作原理同样是利用MOSFET电荷转移特性，通过控制VGS的打开时间来实现浪涌电流抑制，区别只是MOSFET的选型和阻容数值的匹配。

图6　+28V直流电源浪涌抑制电路

图7　+5V直流电源浪涌抑制电路

3　实验结果

按照图6、图7所示电路设计，DC-DC模块采用Interpoint公司航天标准电源，按图1所示连接方式连接，同样在图2所示中两个测试点测试浪涌电流，+28 V的浪涌电流为0.7 A（见图8），为浪涌抑制前4.19 A的16.7％，+5 V的浪涌电流为0.34 A（见图9），为浪涌抑制前3.44 A的9.8％，取得了很好的抑制效果。

图8　+5V抑制后浪涌电流

图9　+28V抑制后浪涌电流

4　结论

本文针对直流电源在上电瞬间会产生浪涌冲击电流的现象，分析了传统抑制浪涌电流方法的局限性，提出了一种基于自驱动MOSFET的新型浪涌抑制电路，通过实验验证了该电路的可行性和实用性，并最终将该电路成功应用于航天××项目星载开关电源中，在一系列严苛工作条件下，其工作状态正常，表现优秀，有效抑制了浪涌电流对系统的影响。

参考文献

1刘澄.半导体激光器的浪涌损坏及消除方法[J].电力环境保 护,2003,19(4):49-61

2张乾,王卫国.星载开关电源浪涌电流抑制电路研究[J].电子技术应用,2008,12:82-84

3谷金宏.电子线路的浪涌保护[J].河南师范大学学报,2001,29(4):40-42

4NTMD6N03R2芯片资料.http://onsemi.com//NTMD6N03R2芯片资料

收稿日期：（2015-12-30）

DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2016.03.018