一种新型的输入启动浪涌电流抑制电路研究

2019-01-24陈明中郑寄平

智能物联技术 2019年1期

陈明中，郑寄平，阮翔

（中国电子科技集团公司第五十二研究所军工分所，浙江杭州310012）

0 引言

电子设备为了提高电源品质以及EMC特性，在电源输入端均加入了大量的电容滤波电路，因此在加电启动瞬间要吸取大量的电流，也就是我们通常所说的启动浪涌电流，其通常可以达到电源静态工作电流的几十倍甚至上百倍。由此，可能导致电子设备一直处于振荡状态，无法启动或引起本系统内的其他电子设备瞬间掉电。如在GJB 181B-2012中对机载设备的启动浪涌电流做了明确要求，即电流峰值应不大于5倍额定电流值。本文就启动浪涌电流产生的原因进行了分析，同时在传统的输入启动浪涌电流抑制电路的基础上提出一种新型浪涌电流抑制电路的设计，该电路具有非常好的浪涌电流抑制作用。

1 输入启动浪涌电流产生的原因及危害

1.1 输入启动浪涌电流产生的原因

电子设备电源的核心部分是电压变换电路，一般为DC-DC变换器，对于DC-DC变换器的输入端要加入较大的滤波电容器C11，如图1所示。因此在接通输入电源时，输入电源会为该电容器充电。而电容充电特性实际上就会导致启动浪涌电流现象，电容充电电流大小取决于充电回路的阻抗R及输入电压。充电回路阻抗越小，输入电压越高，则浪涌电流越大。在未加入浪涌抑制电路的输入回路中，其阻抗主要为电容器的等效串联电阻ESR，通常ESR只有毫欧级别。对AC220V供电系统来说，启动瞬间的浪涌电流：I=311V/ESR，可以想象此时浪涌电流有多大。随着制造工艺的进步，电容的等效串联电阻越来越低，因此启动的浪涌电流会越来越大。

图1 电源板的一般构架

1.2 输入启动浪涌电流产生的危害

通过以上的分析，如果没有开机启动浪涌电流抑制电路，对于作为输入的开关电源来说，在开机时会产生几十安培甚至近百安培的浪涌电流。这样大的电流会对输入回路及电网产生严重的冲击，主要表现为以下几种危害：

（1）输入回路的保护单元误动作。冲击电流会导致空气开关不能合闸，甚至造成开关触点的粘连，进而使空气开关失效。同理，对于输入回路的保险丝，浪涌电流的冲击，会迅速使其熔断，甚至炸裂[1]。

（2）对输入回路电子元器件的电流冲击。输入回路的电子元器件都会通过浪涌电流，巨大的量值及作用时间，完全可以使这些电子元件器产生过电流应力，造成电子元器件的可靠性降低甚至损坏。

（3）导致供电系统内其他设备工作异常。在同一供电系统的设备，会因为浪涌电流导致供电系统电压瞬时下降，从而出现瞬时掉电重启的现象，更有甚者会导致整个供电系统的装载量下降，使用效率降低。

（4）对供电网络的扰动。如果开关电源在开机时产生巨大冲击电流，会对供电网络产生电流的扰动。同时开机浪涌电流还会产生较大的低次谐波电流污染。

2 传统的输入启动浪涌电流抑制电路分析

传统抑制启动浪涌电流的方法有3种。

2.1 NTC抑制启动浪涌电流

NTC浪涌电流抑制方法是在输入母线上串联一个或若干个NTC（负温度系数）限流电阻器，如图2所示。NTC电阻器的电阻值随温度升高而降低，在电源启动时，由于NTC电阻器处于常温，有很高的电阻值，可以有效地限制电流。在电源启动之后，NTC电阻器随着自身发热阻值降低，最大可降低至常温时电阻值的1/15，大大减少了开关电源工作时的功率损耗。

图2 NTC浪涌电流抑制方式

利用NTC电阻器电阻值随温度变化的特性来抑制启动浪涌电流无疑是目前最简单、最低成本的方法。但NTC限流效果受环境温度影响较大，在低温启动时，电阻值较大，虽然对启动浪涌电流的抑制效果好，但导致电容Cin的充电电流小，可能会影响到电源的启动；高温启动时，电阻值变的比较小，对浪涌电流的抑制能力变差，可能会达不到要求的浪涌电流抑制效果，所以该方案对环境要求较高，无法在高温或低温环境工作。另外，这种方式对上电时间间隔有要求，由于NTC电阻器的冷却需要一定的时间，因此为获得理想的电流抑制效果，必须等NTC电阻器的温度降至室温或某个温度下才能使用，否则起不到启动浪涌电流抑制的作用。

2.2 功率电阻并联继电器抑制启动浪涌电流

该方法是在输入母线的限流功率电阻两端并联一个继电器，如图3所示。刚上电时通过功率电阻进行限流，给电容充电，当电源上电完成进入正常输出状态后，闭合继电器，此时输入母线电流主要流经继电器，功率电阻的热耗可以忽略不计。

图3 功率电阻并联继电器方案

此种启动浪涌电流抑制方式避免了仅使用NTC电阻器不能连续启动的缺点，而且具有非常好的浪涌电流抑制效果。但该方式的缺点也显而易见：首先是继电器的体积比较大，在追求小体积的今天不太实用；其次，继电器需要控制电路，而控制电路的电压往往会影响电路复杂性，增大元器件数量，使PCB布局也更加困难。同时继电器由打开状态切换到闭合时，在高压直流上容易出现拉弧现象，导致二次浪涌电流的形成。然而最主要的是机械继电器存在抗振动性能差的致命缺陷，不适合用在振动的恶劣环境。

2.3 软启动技术抑制启动浪涌电流

软启动技术可以用来抑制启动浪涌电流，且效果非常明显，特别是对于容性负载。该方案通过对电源软启动，使电源输出电压平稳缓慢上升，也就是通过减小电源输出电压的上升斜率，实现电源输出电容或负载缓慢充电，从而减小输出浪涌电流，避免开关电源承受巨大的电流应力，保护了开关电源，同时进而减小了输入启动浪涌电流。

从上述软启动技术抑制浪涌电流的原理可以看出，该技术虽然可以抑制电源输出端带来的启动浪涌电流，但无法抑制电源输入端电容引起的启动浪涌电流。因此该技术主要针对的是电源输出负载的抑制，配合输入启动浪涌电流的抑制效果会更加好。

3 新型输入启动浪涌电流抑制电路设计

在传统的输入启动浪涌电流抑制电路（功率电阻并联继电器的方案）基础上，将继电器更改为功率半导体器件，再以辅助器件进行控制，就能很好地避免传统浪涌电流抑制电路的缺点。这种新型输入启动浪涌电流抑制方式正在越来越多地被追求可靠性、小型化的电源所采用。

新型输入启动浪涌电流抑制电路，采用导通电阻 Rds（on）更小的 NMOSFET管来设计，为了避免设计驱动电路，采用了将NMOSFET管串接在负端母线上，通过输入正端电压来驱动，做到真正的无驱动设计。

3.1 原理及框图

图4所示为新型输入启动浪涌电流抑制电路，图中电路以机载DC270V作为供电系统，当然也可以使用交流AC220V为供电系统，只不过该部分浪涌抑制电路需接入在交流输入整流之后的DC311V上，如图1所示。新型输入启动浪涌电流抑制电路工作原理是将电源的启动分为两部分：第一部分为前端电容充电部分，第二部分为电源启动后带载工作部分，利用NMOSFET管的开关作用，使两部分工作在不同的供电母线上。从前面分析可知，启动浪涌电流都是发生在第一部分，因此第一部分需工作在供电母线上有限流电阻阶段，以达到减小冲击电流的作用，第二部分需工作在供电母线零损耗阶段，以减小不必要的能量损耗。

图4 NMOSFET有源浪涌电流抑制电路

NMOSFET有源浪涌电流抑制电路工作方式如下：电源 V1 启动，由 R1、R2、D1、C2 组成的 RC 延时电路刚开始工作，此时NMOSFET管M1未打开，所以电源V1通过R3供电母线给电容充电，可以通过调节R3的阻值实现调节冲击电流的大小，冲击电流I=V1/R3；当RC延时电路使NMOSFET管M1的G脚电压达到开启电压时，NMOSFET管M1打开，使R3脱离供电母线，此时电源V1通过NMOSFET管M1供电母线给后端进行供电，减小供电母线上的损耗。

不管是哪种输入启动浪涌抑制方式，都是通过对输入电容缓慢充电实现的。同时开关电源启动对输入电压波形一般只需单调上升，并没有对上升斜率有很严格的要求，只要输入电压达到开关电源的启动电压就能开启。因此新型输入启动浪涌电流抑制电路和其他浪涌电流抑制电路一样，对提高电源的品质有帮助，并不会影响电源的使用。

3.2 关键器件参数

NMOSFET管M1：首先Vds必须大于输入电压Vin，当 MOS 未打开时，Vds=Vin；其次 Ids必须大于电压工作的最大电流；同时Rds（on）越小，电路工作时，母线上的损耗越小。

功率电阻R3：功率电阻阻值的选择，要满足浪涌电流的要求，即R=Vin/I；功率电阻的额定功率P要大于电流启动至空载时其所承受的最大功率，即即P=U×I2，I2为电源启动至空载时的最大电流。例如：在DC270V系统中，选取100Ω、10W的电阻，此时可以算得启动时的浪涌电流为I=270V/100Ω=2.7A；100Ω、10W电阻，最大电流为0.3A，能提供的最大功率为P=270V×0.3A=81W，远大于电源板启动至空载功率8W。

R1、R2、D1 组成的保护电路：其中 R1、R2 为分压电阻，保证M1的栅极门限电压在正常范围内，防止M1的栅极电压过压（D1为稳压管，起保护作用，一般选用12V稳压管，使M1栅极电压不会高于12V）损坏M1，由于MOS管所需要的驱动电流非常小，所以R1、R2可选较大的电阻值，只要能保证分压在M1的栅极门限电压在正常范围即可。