软启动抑制开关电源浪涌

2万 · 2014-12-28 00:04

开关电源之所以普及的非常快，是因为其能够满足大部分的电子电路设计要求，再加上开关电源成本低、效率高，所以才能够很快流行开来，成为主流的电路设计方法。但是开关电源也并非完美的，大部分开关电源都存在一个弊病，就是在通电的瞬间需要一个比较大的电流，而这个电流很有可能是电路在静态工作模式下的10-100倍。

由于电流的瞬间增大，将很有可能产生两个方面的问题。第一点，如果电路从直流电源得不到足够的启动电流，那么开关电源就有可能成为锁定的状态，导致无法启动。第二点，这种浪涌电流可能造成输入电源电压的降低，足以引起使用同一输入电源的其它动力设备瞬间掉电。

常见的对开关电源中输入浪涌电流的限制方法，是采用在电路中串联NTC的方式，NTC是负温度系数热敏限流电阻器的缩写。这种方法较为简单，然而这种简单的方法具有很多缺点：如NTC电阻器的限流效果受环境温度影响较大、限流效果在短暂的输入主电网中断(约几百毫秒数量级)时只能部分地达到、NTC电阻器的功率损耗降低了开关电源的转换效率。其实上面提出的这两个问题可以通过一个“软启动电路”来解决，下面就对这种解决方法进行详细的介绍。

开关电源浪涌产生的原因

在谈解决方案之前，首先要了解浪涌电流是如何产生的，这样才能达到最有效抑制的目的。目前使用的大多数开关电源和逆变器都是采用脉冲宽度调制来对电能进行转换。其中的核心部件是直流-直流转换器。如图1所示的开关电源中，输入电压首先经过干扰滤波，再通过桥式整流器变成直流，然后通过一个很大的电解电容器进行波形平滑，之后才能进入真正的直流-直流转换器。输入浪涌电流就是在对这个电解电容器进行初始充电时产生的，它的大小取决于起动上电时输入电压的幅值，以及由桥式整流器和电解电容器所形成回路的总电阻。如果恰好在交流输入电压的峰值点起动时，就会出现峰值输入浪涌电流。

2万 · 2014-12-28 00:05

不仅是开关电源，变压器的电源在进行启动同样会出现输入浪涌电流。然而，这种输入浪涌电流的出现原因有所不同。当变压器电源在正弦输入电压的过零点起动时，变压器磁芯的磁化在前几个周期中被迫进入一种不平衡状态。结果，磁芯在每个半周饱和。

2万 · 2014-12-28 00:05

而在此时，产生的励磁电流仅由较小的漏电感寄生电阻来抑制，这会产生很大的输入浪涌电流。变压器电源通常带有特殊的输入浪涌电流限制器来保证其在正弦输入电压的峰值起动，以防止出现很高的输入浪涌电流。而如果在开关电源中也使用这种输入浪涌电流限制器，则如前文所述，后果恰恰相反，不但起不到限流作用，反而会导致出现峰值输入浪涌电流。所以今天只讨论开关电源浪涌电流的产生和消除，变压器电源不在论述范围。

2万 · 2014-12-28 00:06

软启动电路电气工作原理

与上述的传统方法不同，如果在开关电源中采用软启动电路，进行浪涌电流的抑制，则能够完全避免传统浪涌电流抑制方法的缺点。通过“软启动”来控制开关电源的启动以消除浪涌电流，包含这样两条设计原则：即在加电瞬间除去负载、同时限制有用的电流。如果不驱动负载，开关电源启动时一般电流很小。在很多情况下，启动电流实际有可能要比利用这种方法保持的稳态工作电流小。

下面我们通过一个例子来讲解软启动技术，例中的开关电源为-48 V～+5 V，含有LT1172HVCT的稳压器，从负到正补偿提升式(buck-boost)转换器，其实任何一个从-48 V～+5 V的开关电源都能工作。其中，软启动电路和开关电源电路是相互独立的，电气原理如图2所示。

2万 · 2014-12-28 00:06

2万 · 2014-12-28 00:07

图2当中的电路工作原理其实非常简单，在电路通电之初，全部晶体管都是截止的，C1处于放电状态，这时负载是断开的，输入电流由限流电阻R4分流。当开关电源启动时，它的输出电压开始升高，在输出电压达到4.5 V的时候(D1两端3.9 V加上Q3的Veb=0.6 V)，Q3导通并对C1充电。当C1两端的电压VC达到Q1的门限电压时(通常为3 V)，Q1导通。VC继续升高，Q1完全导通，对输入电流提供一个低阻抗通路，并且有效地旁路了限流电阻R4。当VC达到7.4 V时(D2两端6.8 V加上Q4的Vbe=0.6V)，Q4导通，同时对Q2提供偏压，也是Q2导通。这样就使负载通过一个低阻抗与电源连接。至此，电源已被安全启动，软启动电路也已完成其功用。利用下列公式可以计算出Q1和Q2的导通时间：

2万 · 2014-12-28 00:07

在VC等于3 V的时候Q1导通，也就是说在电源的输出达到4.5 V以后，大约150 ms时导通;在VC等于7.4 V时Q2导通，即在Q1导通后的330 ms时导通。这样长的时间，足以保证电源需要的稳定时间和使Q1与Q2缓慢地导通。因为要把启动电流保持在一个最小值，所以FET(场效应管)的缓慢导通是至关重要的。若FET转换太快，有可能产生一个大的浪涌电流，失去软启动电路的效用。

2万 · 2014-12-28 00:07

注意事项

需要注意的是，为了对浪涌电流进行抑制而加装软启动电路，是需要付出代价的。从整体来讲，这种电路可看作是电源的一部分，它要消耗功率，使电源的效率降低。大部分功率损失是由于输出传递场效应管Q2的导通电阻不为零所造成的。这种IRFD9210的导通电阻为0.6 Ω。在500 mA输出电流时，Q2将消耗300 mW功率。如果不允许这样大的损耗，可以采用导通电阻更小的FET。

因为开关电源电压的感测是取自场效应管Q2的输入端，所以这种穿过Q2的电阻也影响负载电压的稳定。只要负载电流是相对恒定的，这个问题就并不严重。如果输出电压的变化较大，可以选用导通电阻低的FET来改善，也可以在软启动电路工作完成以后，在Q2的输出端加一个电压感测电路来改善。

2万 · 2014-12-28 00:08

结论

通过对电流浪涌的形成，以及软启动电路工作原理的讲解。本文介绍了利用软启动电路进行开关电源的浪涌电流消除。并且通过相关数据的讲解，证明了该软启动电路的控制能力较强。虽然**当中所使用的例子为-48 V～+5 V的开关电源，但是其也能够适用于各种开关电源的浪涌电流抑制，关键在于大家充分理解文中的知识点，做到活学活用。