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[开关电源] 浪涌电流有点高?我来给你支支招!

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火星国务卿|  楼主 | 2021-7-8 11:04 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 火星国务卿 于 2021-7-8 11:13 编辑

#申请原创# @21小跑堂

说到电流相信每个人都不陌生,虽然它看不见摸不到,但与我们的生活工作都息息相关,我们平时用的家用电器,工作的时候都会有电流产生,工作中用到的万用表,示波器,都能够用来测量电流,把看不见摸不到的电流通过其他的方式表达出来。
那什么又是浪涌电流呢?

下面我们就一起来学习了解一下什么是浪涌电流!本文介绍的内容,相当基础,对初学者会有一定帮助,大佬请自行跳过,其实我的想法也很简单,大家都是从最开始的小白逐渐成长起来的,我希望我写的这些基本的内容能给一些人带来帮助,也希望我们每个人都能成为身体很勤奋,思维不懒惰的新时代国家栋梁之才。

言归正传,我相信大家应该都知道,所有电源的启动电流都高于其工作电流,这个电流就是浪涌电流,这是由于几个因素重叠造成的–输入电路和EMC滤波器中的各种电容正在充电,输出滤波器电容器也正在通电。那么这时候你可能会有疑问,为啥电容充电会造成很大的电流从出现呢?其实原理很简单,在我之前写的帖子中对电容的充放电就做了介绍,很多新手在研究电容的时候,在网上查阅相关资料的时候,会看到网上这么写到,在直流电路中,电容相当于断路,但是你有没有想过电容为什么会相当于断路?其实在电容断路的之前,电容进行了充电操作,在电容充电的时候其实电容相当于短路状态,电容只有在充满电之后才会相当于断路状态,正是因为充电时,相当于短路,时间很短,所以电路中才会产生很大的浪涌电流。
这个时候满足电容的充电电流公式:

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式中,Iin(t)为电容电流(随时间变化),Vin为电源电压,R为电源输出电阻加上电容的ESR和任何互连电阻,C为输入电容。在t=0时,指数是统一的,因此对输入电流的唯一限制是电阻R和电源的电流能力。

下面我们来实际看看功率变换其中的浪涌电流的表现,功率转换器中的浪涌电流通常非常短,但明显高于工作电流,一般的 DC DC电路输入输出结构如下:(在这里只是简单示意,大家理解就好)

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下图展示了实际的DC-DC转换器的启动示波器轨迹,该转换器在正常的工作状态下是输入电压12V,正常的工作电流为1.6A左右,但在启动期间消耗18.6A的峰值浪涌电流比正常运行期间高12倍。如果系统中存在过电流保护机制的话,就会造成系统停止工作了。(其实图中电路已添加了部分浪涌抑制电流,不加的话浪涌电流肯定会更高)
如果你手头有相关产品的话,你也可以亲自测量一下,实践出真知,要想进步,就要学会不断的摸索,研究,并付诸于实践,嘿嘿!

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那么面对系统中的浪涌电流我们采用哪些办法能减小浪涌电流呢?下面我们就来简单介绍几种减小浪涌电流的方法,在这里我以DC-DC电路为例来进行分析:


1.  应用电感限制浪涌

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上图是一个简单的DC-DC电路框图,由于只为了研究浪涌电流,所以很多器件我们都省略没有画出,就画了一个简单的示意图来说明问题,我们在电路中可能经常碰到向上图中这种DC-DC前端应用这个LC滤波电路的这种做法,LC电路在一方面具有滤波的作用,在另一方面,由于电感的存在,实际上它限制了一部分浪涌电流,像图中所示,电容C2以及变换器中的电容C3,全部在电感之后,这两个电容充电产生的浪涌电流全部被电感L限制。
你一定会问为什么电感能限制浪涌电流呢?
电感的电流是不能突变的,从电感中的电流变化时,在电感中要产生感应电动势来解释:这个感应电动势e=-Ldi/dt,即与电流随时间的变化率di/dt呈正比。如果电流发生突变了,就是说电流随时间的变化率di/dt将是无限大,其产生的感应电动势也将是无限大,而这是不可能的,所以电流随时间的变化率di/dt只能是确定的数值,就是说电流只能逐步地(或快或慢地)增长,而不能突变,从而起到了限制浪涌电流的作用。
电感限制浪涌电流有一定的缺点,如果是功率较大的系统,电感尺寸会变大,价格会有一些昂贵,所以应用时也应该综合考虑一下。

2.  MOSFET开关管浪涌保护

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以上这种由MOSFET组成的延时电路在抑制浪涌电流的做法也经常用到,如上图所示:后端的电容在电源开关导通的瞬间都需要充电,所以瞬间的浪涌电流会很大,图中在电源回路中添加了一个N MOSFET的话,由于在MOS管的GS并联了一个电容C1,所以它两端的电压只能逐渐增加,所以MOS管也是逐渐导通的,由上面的公式我们可以得出,延时导通,能够有效的减小开机瞬间产生的浪涌电流,当电路进入稳定状态后,MOS管的,D,S极将始终处于导通状态,电路进行正常工作,小伙伴们可能会问ZD1在电路中是起到什么作用呢?其实很简单,它是将GS电压牵制在一个安全的范围内,防止MOS G,S极被击穿的。

3.  热敏电阻抑制浪涌电流

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如上图所示,在电路中串联一个热敏电阻NTC无疑也是降低浪涌电流的一个好方法,为什么这么说呢?听我给你慢慢解释一下,首先NTC在刚开始电路没有进行工作的时候,那么这个时候属于常温的状态,那么在这个时候呢常温状态下NTC的电阻阻值很高,那么在开关启动的瞬间,虽然后面的电容充电产生了很大的电流,但由于有该电阻的存在,将电流进行了很好的限制,当电路运行一段时间后呢,温度升高,那么这个时候NTC的阻值会随着温度的升高而降低,这是NTC电阻的特性,如果小伙伴不知道的话,可以自己去百度科普一下,这里就不做介绍了,我们当然希望这个时候电阻越低越好,因为我们肯定不希望由于这个电阻的存在而影响了我们电路的功率损耗,你说对不对!这种方案很简单,成本低,优势明显,但同时也有它的弊端,假设我们在温度极低以及极高的环境中这么应用的话,很明显就会出现问题,在温度极低的环境中启动电源,电阻阻值过高,会导致损耗过高,也可能造成无法正常启动电源,相反在温度极高的环境中启动电源,电阻阻值过低,那么就起不到限制浪涌电流的目的了。这个时候小伙伴们是不是还能想到它另外一个弊端?其实也是一样的道理,比如电源在接通一段时间后,需要重启呢?那这个时候NTC电阻也处于高温的状态下,同样也不能达到我们的目的了。

以上我总结的一些抑制电路浪涌电流的方法,可能还有许多其他优秀的方案,也希望大家能够提出来一起研究讨论,如果我讲的有哪些不对的,也请大家及时指出,相信大家也都能看出,其实每种方案都有它特有的优势也有相应的劣势,每个方案他都不是十全十美的,作为优秀工程师的你们一定能在实际情况中多多考虑,选出最优方案。

最后送上一句微语:虽然未来总是未知,但只要你肯努力,你想要的,岁月都会给你。





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21小跑堂 打赏了 100.00 元 2021-07-14
理由:恭喜通过原创文章审核!请多多加油哦!

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Carina卡| | 2021-7-20 10:11 | 显示全部楼层
直流电源遇到了纹波比较大,用直流滤波器是不是能解决这个问题?

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lsm12502| | 2021-7-20 15:29 | 显示全部楼层
收藏了

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电子门外汉| | 2021-7-21 16:57 | 显示全部楼层
很值得学习的文章

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Charlotte夏| | 2021-7-22 22:45 | 显示全部楼层
讲的挺好的,浪涌在电路里是挺需要注意的一个问题

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