如何抑制電源轉(zhuǎn)換器中浪涌電壓

今天給大家分享的是：如何抑制電源轉(zhuǎn)換器中浪涌電壓？

一、什么是浪涌電流？

浪涌電流是電路打開吸收的最大電流，出現(xiàn)在輸入波形的幾個(gè)周期內(nèi)。

浪涌電流的值遠(yuǎn)高于電路的穩(wěn)態(tài)電流，高電流可能會(huì)損壞設(shè)備或觸發(fā)斷路器。浪涌電流通常出現(xiàn)在所有磁芯的設(shè)備中，如變壓器、工業(yè)電壓等。

二、為什么會(huì)出現(xiàn)浪涌電流？

產(chǎn)生浪涌電流的因素有很多，比如一些去耦電容或平滑電容組成的設(shè)備或系統(tǒng)，在啟動(dòng)時(shí)會(huì)消耗大量電流對其進(jìn)行充電。

下面的圖可以看到浪涌電流、峰值電流和穩(wěn)態(tài)電流之間的差異：

浪涌電流、峰值電流和穩(wěn)態(tài)電流之間的差異

峰值電流：波形在正區(qū)域或負(fù)區(qū)域獲得的電流最大值。

穩(wěn)態(tài)電流：定義為電路中每個(gè)時(shí)間間隔保持恒定的電流。當(dāng) di/dt = 0 時(shí)，達(dá)到穩(wěn)態(tài)電流，這意味著電流相對于時(shí)間保持不變。

浪涌電流特性：

設(shè)備開啟時(shí)立即發(fā)生

出現(xiàn)時(shí)間跨度短

高于電路或裝置的額定值

發(fā)生浪涌電流的一些示例：

白熾燈

感應(yīng)電機(jī)啟動(dòng)

變壓器

打開基于 SMPS 的電源

三、電源轉(zhuǎn)換器中的浪涌電壓

為了降低輸入/輸出的紋波噪聲或EMI噪聲，現(xiàn)在通常是在輸入側(cè)并聯(lián)電容或者濾波器，如下所示。

由于濾波器中有電容，當(dāng)系統(tǒng)開始上電時(shí)，由于輸入電壓的快速上升，會(huì)產(chǎn)生很高的浪涌電流。

這種情況可能會(huì)導(dǎo)致前端電源供電不足，或者觸發(fā)過流保護(hù)，導(dǎo)致無電壓輸出，因此，浪涌電流的抑制變得越來越重要。

a圖并聯(lián)電容，b圖并聯(lián)了濾波器

四、抑制浪涌電壓的方法

1、被動(dòng)抑制

如下所示，主要用于應(yīng)用電路需要外接大量電容時(shí)。如果沒有外部限流電路，直流母線電壓開啟時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的浪涌電壓，可能導(dǎo)致前端電源壓降進(jìn)入保護(hù)模式。

此時(shí)，只需在電容輸入串聯(lián)電阻和二極管即可，可以減輕浪涌電流。當(dāng)直流母線通過電阻給電容充電時(shí)，可以限制浪涌電流，但是，當(dāng)直流母線需要供電時(shí)，電容可以通過二極管將電能反饋給直流母線。

2、主動(dòng)抑制

另一種是采用帶軟啟動(dòng)電路的有源開關(guān)來限制浪涌電流。如下所示，MOS管通過軟啟動(dòng)電路緩慢開啟，因此，可以限制啟動(dòng)期間的浪涌電流，優(yōu)點(diǎn)是不影響系統(tǒng)效率，不受緩解溫度影響。缺點(diǎn)是需要外接電路，整體成本較高。

采用帶軟啟動(dòng)電路的有源開關(guān)來限制浪涌電流。

五、使用MOS管浪涌電流限制電路

如上所述，已經(jīng)列舉了2種浪涌電流方法。下面介紹使用MOS管導(dǎo)通電路來抑制輸入電流此外，由于MOS管的導(dǎo)通損耗低，使用方便。優(yōu)點(diǎn)是零件少，缺點(diǎn)是有功率損耗。下面介紹有源和無源浪涌電流限制電路。

1、有源浪涌電流限制電路(P-MOS管)

下圖為使用P溝道MOS管的浪涌電流限制電路。P溝道的導(dǎo)通步長與N溝道基本相同，只是電壓相反。在初始階段，C1上的電壓為0V。

輸入電壓通過R2充電到C1。最后C1上的電壓通過分壓R1和R2之間的電壓來確定。Q1 開啟狀態(tài)由 Vgs 電壓決定。

-Vgs<-Vgs(th) 和 -Vgd<-Vgs(th)MOS管處于截止?fàn)顟B(tài)，類似于開路。

-Vgs>-Vgs(th) 和 -Vgd>-Vgs(th)MOS管處于歐姆模式。Vds和Id的特性就像一個(gè)電阻，隨著Vgs電壓的升高而變小。

-Vgs>-Vgs(th) 和 -Vgd<-Vgs(th)MOS管 處于飽和模式。Id是固定值，不隨Vds變化。而且MOSFET的導(dǎo)通電阻很低，適合開關(guān)。

有源浪涌電流限制電路(P-MOS管)

從MOS管特性描述來看，歐姆模式最適合抑制浪涌電流。至于R1、R2、C1的計(jì)算，可以用下面的公式：

在相同的R1下，C1越大，MOS管工作在歐姆模式的時(shí)間越長，這意味著限制浪涌電流的效果會(huì)更好。

2、無源浪涌電流限制器電路

一般的無源方式是在輸入端串聯(lián)一個(gè)熱敏電阻，但由于熱敏電阻受環(huán)境溫度影響較大，當(dāng)環(huán)境溫度較高或輸入電源多次快速開閉，將起不到保護(hù)作用。

下圖給出了可以改善這種現(xiàn)象的電路，使用二極管和電阻并聯(lián)，與電容并聯(lián)。不僅可以抑制浪涌電流，而且不容易受溫度變化或者輸入電源快速打開和關(guān)閉多次的影響。

工作原理是當(dāng)有輸入電壓時(shí)，輸入電壓通過給R1和Cl充電，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載需要電源時(shí)，Cl通過二極管向負(fù)載放電。

無源浪涌電流限制器電路

從圖中可以看出R1與浪涌電流成反比，因此可以通過以下公式計(jì)算R1：

R1 損失

t 可以粗略地看成是一個(gè)二倍的時(shí)間常數(shù)

阻力損失可以通過公式（6）得到。

六、結(jié)論

為了加強(qiáng)DC/DC轉(zhuǎn)換器的抗噪聲能力，常用的方法是在輸入端加電容。但由于電容的特性，會(huì)在電源輸入端產(chǎn)生浪涌電流。如果不抑制浪涌電流，輸入電源可能因保護(hù)電路而無輸出，并可能損壞輸入電路或保險(xiǎn)絲。

上面介紹兩種抑制浪涌電流的方法，一種是利用MOSFET的導(dǎo)通特性來抑制浪涌電流。另一種是使用無源元件，通過電阻給電容充電，然后通過二極管放電回系統(tǒng)。有源抑制電路的效果優(yōu)于無源抑制電路，但元件數(shù)量多于無源抑制電路。無源抑制電路的元器件使用最少，但必須考慮電阻的損耗和功率選擇。

來源：本文轉(zhuǎn)自頭條李工談元器件

審核編輯：湯梓紅