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,。
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(chēng)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,。
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(chēng)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)
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),。
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。
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)
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,。
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. 有源沖擊電流限制電路 (橋式整流時(shí)的沖擊電流大)
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)?/strong>
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,。
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?chē)由仙倭吭骷涂梢宰龀蓻_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:
- 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。
- 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。
圖10. 有源沖擊電流限制電路在75V輸入