開關(guān)電源的沖擊電流控制方法
1. 引言
開關(guān)電源的輸入普通有濾波器來減小電源反應(yīng)到輸入的紋波，輸入濾波器普通有電容和電感組成∏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)能夠看成是短路的，當(dāng)開關(guān)電源上電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生十分大的沖擊電流，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左近的電器設(shè)備。
圖3. 通訊系統(tǒng)的最大沖擊電流限值（AC/DC電源）
圖4. 通訊系統(tǒng)在標(biāo)稱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）
歐洲電信規(guī)范協(xié)會(huì)(the European Telecommunications Standards Institute)對(duì)用于通訊系統(tǒng)的開關(guān)電源的沖擊電流大小做了規(guī)則，圖3為通訊系統(tǒng)用AC/DC電源供電時(shí)的最大沖擊電流限值[4]，圖4為通訊系統(tǒng)在DC/DC電源供電，標(biāo)稱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。
沖擊電流的大小由很多要素決議，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)依據(jù)不同的電源系統(tǒng)和規(guī)劃不同而不同，很難停止預(yù)算，最準(zhǔn)確的辦法是在實(shí)踐應(yīng)用中丈量沖擊電流的大小。在丈量沖擊電流時(shí)，不能因引入傳感器而改動(dòng)沖擊電流的大小，引薦用的傳感器為霍爾傳感器。
2. AC/DC開關(guān)電源的沖擊電流限制辦法
2.1 串連電阻法
關(guān)于小功率開關(guān)電源，能夠用象圖5的串連電阻法。假如電阻選得大，沖擊電流就小，但在電阻上的功耗就大，所以必需選擇折衷的電阻值，使沖擊電流和電阻上的功耗都在允許的范圍之內(nèi)
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）
串連在電路上的電阻必需能接受在開機(jī)時(shí)的高電壓和大電流，大額定電流的電阻在這種應(yīng)用中比擬合適，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)力和繞線的收縮會(huì)降低維護(hù)層的作用，會(huì)因濕氣入侵而惹起電阻損壞。
圖5所示為沖擊電流限制電阻的通常位置，關(guān)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輸入銜接線銜接時(shí)和220V輸入銜接線斷開時(shí)的沖擊電流一樣大。關(guān)于單輸入電壓電路，應(yīng)該在R3位置放電阻。
2.2 熱敏電阻法
在小功率開關(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的本身發(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陷，當(dāng)?shù)谝淮螁?dòng)后，熱敏電阻要過一會(huì)兒才抵達(dá)其工作狀態(tài)電阻值，假如這時(shí)的輸入電壓在電源能夠工作的最小值左近，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)開關(guān)電源關(guān)掉后，熱敏電阻需求一段冷卻時(shí)間來將阻值升高到常溫態(tài)以備下一次啟動(dòng)，冷卻時(shí)間依據(jù)器件、裝置方式、環(huán)境溫度的不同而不同，普通為1分鐘。假如開關(guān)電源關(guān)掉后馬上開啟，熱敏電阻還沒有變冷，這時(shí)對(duì)沖擊電流失去限制造用，這就是在運(yùn)用這種辦法控制沖擊電流的電源不允許在關(guān)掉后馬上開啟的緣由。
2.3 有源沖擊電流限制法
關(guān)于大功率開關(guān)電源，沖擊電流限制器件在正常工作時(shí)應(yīng)該短路，這樣能夠減小沖擊電流限制器件的功耗
圖6. 有源沖擊電流限制電路 （橋式整流時(shí)的沖擊電流大）
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能夠選得很大，通常不需求改動(dòng)110V輸入倍壓和220V輸入時(shí)的電阻值。在圖6中所畫為雙向可控硅，也能夠用晶閘管或繼電器將其替代。
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)輸入電容充溢電后，有源旁路電路開端工作將電阻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，很容易經(jīng)過開關(guān)電源主變壓器上的一個(gè)線圈來給可控硅供電。由開關(guān)電源的緩啟動(dòng)來提供可控硅的延遲啟動(dòng)，這樣在電源啟動(dòng)前就能夠經(jīng)過電阻R1將輸入電容充溢電。
3. DC/DC開關(guān)電源的沖擊電流限制辦法
3.1 長(zhǎng)短針法
圖7所示電路為長(zhǎng)短針法沖擊電流限制電路，在DC/DC電源板插入時(shí)，長(zhǎng)針接觸，輸入電容C1經(jīng)過電阻R1充電，當(dāng)電源板完整插入時(shí)，電阻R1被斷針短路。C1代表DC/DC電源的一切電容量
圖7. 長(zhǎng)短針法沖擊電流限制電路
這種辦法的缺陷是插入的速度不能控制，如插入速渡過快，電容C1還沒充溢電時(shí)，短針就曾經(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，普通不用此辦法。
3.2 有源沖擊電流限制法
3.2.1 應(yīng)用MOS管限制沖擊電流
應(yīng)用MOS管控制沖擊電流能夠克制無源限制法的缺陷。MOS管有導(dǎo)通阻抗Rds_on低和驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單的特性，在四周加上少量元器件就能夠做成沖擊電流限制電路。
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能夠由以下公式肯定：
公式中MOS管的反應(yīng)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)上能夠查到。
電容充放電快慢決議MOS管開通和關(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，假如外接電容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被用來作為積分器對(duì)MOS管的開關(guān)特性停止準(zhǔn)確控制。控制了漏極電壓線性度就能準(zhǔn)確控制沖擊電流。
電路描繪：
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，在上電霎時(shí)，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，電壓降落的速度由時(shí)間常數(shù)C2*R2決議，這個(gè)斜率決議了最大沖擊電流。
C2能夠按以下公式選定：
R2由允許沖擊電流決議：
其中Vmax為最大輸入電壓，Cload為C3和DC/DC電源模塊內(nèi)部電容的總和，Iinrush為允許沖擊電流的幅度。
圖9. 有源沖擊電流限制法電路
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D1用來限制MOS管 Q1的柵源電壓。元器件R1，C1和D2用來保證MOS管Q1在剛上電時(shí)堅(jiān)持關(guān)斷狀態(tài)。
上電后，MOS管的柵極電壓要漸漸上升，當(dāng)柵源電壓Vgs高到一定水平后，二極管D2導(dǎo)通，這樣一切的電荷都給電容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。
以下是計(jì)算C1和R1的公式：
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其中Vth為MOS管Q1的最小門檻電壓，VD2為二極管D2的正導(dǎo)游通壓降，Vplt為產(chǎn)生Iinrush沖擊電流時(shí)的柵源電壓。Vplt能夠在MOS管供給商所提供的產(chǎn)品材料里找到。
MOS管選擇
以下參數(shù)關(guān)于有源沖擊電流限制電路的MOS管選擇十分重要：
l 漏極擊穿電壓 Vds
必需選擇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，關(guān)于通訊系統(tǒng)中用的MOS管，普通選擇Vds≥100V。
l 柵源電壓Vgs
穩(wěn)壓管D1是用來維護(hù)MOS管Q1的柵極以避免其過壓擊穿，顯然MOS管Q1的柵源電壓Vgs必需高于穩(wěn)壓管D1的最大反向擊穿電壓。普通MOS管的柵源電壓Vgs為20V，引薦12V的穩(wěn)壓二極管。
l 導(dǎo)通電阻Rds_on.
MOS管必需可以耗散導(dǎo)通電阻Rds_on所惹起的熱量，熱耗計(jì)算公式為：
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其中Idc為DC/DC電源的最大輸入電流，Idc由以下公式肯定：
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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能夠在DC/DC電源供給商所提供的數(shù)據(jù)手冊(cè)里查到。MOS管的Rds_on必需很小，它所惹起的壓降和輸入電壓相比才能夠疏忽。
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