軟啟動(dòng)抑制開(kāi)關(guān)電源浪涌的原理及注意

開(kāi)關(guān)電源之所以普及的非常快，是因?yàn)槠淠軌驖M足大部分的電子電路設(shè)計(jì)要求，再加上開(kāi)關(guān)電源成本低、效率高，所以才能夠很快流行開(kāi)來(lái)，成為主流的電路設(shè)計(jì)方法。但是開(kāi)關(guān)電源也并非完美的，大部分開(kāi)關(guān)電源都存在一個(gè)弊病，就是在通電的瞬間需要一個(gè)比較大的電流，而這個(gè)電流很有可能是電路在靜態(tài)工作模式下的10-100倍。

由于電流的瞬間增大，將很有可能產(chǎn)生兩個(gè)方面的問(wèn)題。第一點(diǎn)，如果電路從直流電源得不到足夠的啟動(dòng)電流，那么開(kāi)關(guān)電源就有可能成為鎖定的狀態(tài)，導(dǎo)致無(wú)法啟動(dòng)。第二點(diǎn)，這種浪涌電流可能造成輸入電源電壓的降低，足以引起使用同一輸入電源的其它動(dòng)力設(shè)備瞬間掉電。

常見(jiàn)的對(duì)開(kāi)關(guān)電源中輸入浪涌電流的限制方法，是采用在電路中串聯(lián)NTC的方式，NTC是負(fù)溫度系數(shù)熱敏限流電阻器的縮寫。這種方法較為簡(jiǎn)單，然而這種簡(jiǎn)單的方法具有很多缺點(diǎn)：如NTC電阻器的限流效果受環(huán)境溫度影響較大、限流效果在短暫的輸入主電網(wǎng)中斷(約幾百毫秒數(shù)量級(jí))時(shí)只能部分地達(dá)到、NTC電阻器的功率損耗降低了開(kāi)關(guān)電源的轉(zhuǎn)換效率。其實(shí)上面提出的這兩個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)一個(gè)“軟啟動(dòng)電路”來(lái)解決，下面就對(duì)這種解決方法進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

開(kāi)關(guān)電源浪涌產(chǎn)生的原因

在談解決方案之前，首先要了解浪涌電流是如何產(chǎn)生的，這樣才能達(dá)到最有效抑制的目的。目前使用的大多數(shù)開(kāi)關(guān)電源和逆變器都是采用脈沖寬度調(diào)制來(lái)對(duì)電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換。其中的核心部件是直流-直流轉(zhuǎn)換器。如圖1所示的開(kāi)關(guān)電源中，輸入電壓首先經(jīng)過(guò)干擾濾波，再通過(guò)橋式整流器變成直流，然后通過(guò)一個(gè)很大的電解電容器進(jìn)行波形平滑，之后才能進(jìn)入真正的直流-直流轉(zhuǎn)換器。輸入浪涌電流就是在對(duì)這個(gè)電解電容器進(jìn)行初始充電時(shí)產(chǎn)生的，它的大小取決于起動(dòng)上電時(shí)輸入電壓的幅值，以及由橋式整流器和電解電容器所形成回路的總電阻。如果恰好在交流輸入電壓的峰值點(diǎn)起動(dòng)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)峰值輸入浪涌電流。

而在此時(shí)，產(chǎn)生的勵(lì)磁電流僅由較小的漏電感寄生電阻來(lái)抑制，這會(huì)產(chǎn)生很大的輸入浪涌電流。變壓器電源通常帶有特殊的輸入浪涌電流限制器來(lái)保證其在正弦輸入電壓的峰值起動(dòng)，以防止出現(xiàn)很高的輸入浪涌電流。而如果在開(kāi)關(guān)電源中也使用這種輸入浪涌電流限制器，則如前文所述，后果恰恰相反，不但起不到限流作用，反而會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)峰值輸入浪涌電流。所以今天只討論開(kāi)關(guān)電源浪涌電流的產(chǎn)生和消除，變壓器電源不在論述范圍。軟啟動(dòng)電路電氣工作原理

與上述的傳統(tǒng)方法不同，如果在開(kāi)關(guān)電源中采用軟啟動(dòng)電路，進(jìn)行浪涌電流的抑制，則能夠完全避免傳統(tǒng)浪涌電流抑制方法的缺點(diǎn)。通過(guò)“軟啟動(dòng)”來(lái)控制開(kāi)關(guān)電源的啟動(dòng)以消除浪涌電流，包含這樣兩條設(shè)計(jì)原則：即在加電瞬間除去負(fù)載、同時(shí)限制有用的電流。如果不驅(qū)動(dòng)負(fù)載，開(kāi)關(guān)電源啟動(dòng)時(shí)一般電流很小。在很多情況下，啟動(dòng)電流實(shí)際有可能要比利用這種方法保持的穩(wěn)態(tài)工作電流小。

下面我們通過(guò)一個(gè)例子來(lái)講解軟啟動(dòng)技術(shù)，例中的開(kāi)關(guān)電源為-48 V～+5 V，含有LT1172HVCT的穩(wěn)壓器，從負(fù)到正補(bǔ)償提升式(buck-boost)轉(zhuǎn)換器，其實(shí)任何一個(gè)從-48 V～+5 V的開(kāi)關(guān)電源都能工作。其中，軟啟動(dòng)電路和開(kāi)關(guān)電源電路是相互獨(dú)立的，電氣原理如圖2所示。

注意事項(xiàng)

需要注意的是，為了對(duì)浪涌電流進(jìn)行抑制而加裝軟啟動(dòng)電路，是需要付出代價(jià)的。從整體來(lái)講，這種電路可看作是電源的一部分，它要消耗功率，使電源的效率降低。大部分功率損失是由于輸出傳遞場(chǎng)效應(yīng)管Q2的導(dǎo)通電阻不為零所造成的。這種IRFD9210的導(dǎo)通電阻為0.6 Ω。在500 mA輸出電流時(shí)，Q2將消耗300 mW功率。如果不允許這樣大的損耗，可以采用導(dǎo)通電阻更小的FET。

因?yàn)殚_(kāi)關(guān)電源電壓的感測(cè)是取自場(chǎng)效應(yīng)管Q2的輸入端，所以這種穿過(guò)Q2的電阻也影響負(fù)載電壓的穩(wěn)定。只要負(fù)載電流是相對(duì)恒定的，這個(gè)問(wèn)題就并不嚴(yán)重。如果輸出電壓的變化較大，可以選用導(dǎo)通電阻低的FET來(lái)改善，也可以在軟啟動(dòng)電路工作完成以后，在Q2的輸出端加一個(gè)電壓感測(cè)電路來(lái)改善。

結(jié)論

通過(guò)對(duì)電流浪涌的形成，以及軟啟動(dòng)電路工作原理的講解。本文介紹了利用軟啟動(dòng)電路進(jìn)行開(kāi)關(guān)電源的浪涌電流消除。并且通過(guò)相關(guān)數(shù)據(jù)的講解，證明了該軟啟動(dòng)電路的控制能力較強(qiáng)。雖然文章當(dāng)中所使用的例子為-48 V～+5 V的開(kāi)關(guān)電源，但是其也能夠適用于各種開(kāi)關(guān)電源的浪涌電流抑制，關(guān)鍵在于大家充分理解文中的知識(shí)點(diǎn)，做到活學(xué)活用。