一種新型的輸入啟動浪涌電流抑制電路研究

陳明中，鄭寄平，阮 翔

（中國電子科技集團公司第五十二研究所軍工分所，浙江 杭州310012）

0 引言

電子設備為了提高電源品質以及EMC特性，在電源輸入端均加入了大量的電容濾波電路，因此在加電啟動瞬間要吸取大量的電流，也就是我們通常所說的啟動浪涌電流，其通常可以達到電源靜態(tài)工作電流的幾十倍甚至上百倍。由此，可能導致電子設備一直處于振蕩狀態(tài)，無法啟動或引起本系統內的其他電子設備瞬間掉電。如在GJB 181B-2012中對機載設備的啟動浪涌電流做了明確要求，即電流峰值應不大于5倍額定電流值。本文就啟動浪涌電流產生的原因進行了分析，同時在傳統的輸入啟動浪涌電流抑制電路的基礎上提出一種新型浪涌電流抑制電路的設計，該電路具有非常好的浪涌電流抑制作用。

1 輸入啟動浪涌電流產生的原因及危害

1.1 輸入啟動浪涌電流產生的原因

電子設備電源的核心部分是電壓變換電路，一般為DC-DC變換器，對于DC-DC變換器的輸入端要加入較大的濾波電容器C11，如圖1所示。因此在接通輸入電源時，輸入電源會為該電容器充電。而電容充電特性實際上就會導致啟動浪涌電流現象，電容充電電流大小取決于充電回路的阻抗R及輸入電壓。充電回路阻抗越小，輸入電壓越高，則浪涌電流越大。在未加入浪涌抑制電路的輸入回路中，其阻抗主要為電容器的等效串聯電阻ESR，通常ESR只有毫歐級別。對AC220V供電系統來說，啟動瞬間的浪涌電流：I=311V/ESR，可以想象此時浪涌電流有多大。隨著制造工藝的進步，電容的等效串聯電阻越來越低，因此啟動的浪涌電流會越來越大。

圖1 電源板的一般構架

1.2 輸入啟動浪涌電流產生的危害

通過以上的分析，如果沒有開機啟動浪涌電流抑制電路，對于作為輸入的開關電源來說，在開機時會產生幾十安培甚至近百安培的浪涌電流。這樣大的電流會對輸入回路及電網產生嚴重的沖擊，主要表現為以下幾種危害：

（1）輸入回路的保護單元誤動作。沖擊電流會導致空氣開關不能合閘，甚至造成開關觸點的粘連，進而使空氣開關失效。同理，對于輸入回路的保險絲，浪涌電流的沖擊，會迅速使其熔斷，甚至炸裂[1]。

（2）對輸入回路電子元器件的電流沖擊。輸入回路的電子元器件都會通過浪涌電流，巨大的量值及作用時間，完全可以使這些電子元件器產生過電流應力，造成電子元器件的可靠性降低甚至損壞。

（3）導致供電系統內其他設備工作異常。在同一供電系統的設備，會因為浪涌電流導致供電系統電壓瞬時下降，從而出現瞬時掉電重啟的現象，更有甚者會導致整個供電系統的裝載量下降，使用效率降低。

（4）對供電網絡的擾動。如果開關電源在開機時產生巨大沖擊電流，會對供電網絡產生電流的擾動。同時開機浪涌電流還會產生較大的低次諧波電流污染。

2 傳統的輸入啟動浪涌電流抑制電路分析

傳統抑制啟動浪涌電流的方法有3種。

2.1 NTC抑制啟動浪涌電流

NTC浪涌電流抑制方法是在輸入母線上串聯一個或若干個NTC（負溫度系數）限流電阻器，如圖2所示。NTC電阻器的電阻值隨溫度升高而降低，在電源啟動時，由于NTC電阻器處于常溫，有很高的電阻值，可以有效地限制電流。在電源啟動之后，NTC電阻器隨著自身發(fā)熱阻值降低，最大可降低至常溫時電阻值的1/15，大大減少了開關電源工作時的功率損耗。

圖2 NTC浪涌電流抑制方式

利用NTC電阻器電阻值隨溫度變化的特性來抑制啟動浪涌電流無疑是目前最簡單、最低成本的方法。但NTC限流效果受環(huán)境溫度影響較大，在低溫啟動時，電阻值較大，雖然對啟動浪涌電流的抑制效果好，但導致電容Cin的充電電流小，可能會影響到電源的啟動；高溫啟動時，電阻值變的比較小，對浪涌電流的抑制能力變差，可能會達不到要求的浪涌電流抑制效果，所以該方案對環(huán)境要求較高，無法在高溫或低溫環(huán)境工作。另外，這種方式對上電時間間隔有要求，由于NTC電阻器的冷卻需要一定的時間，因此為獲得理想的電流抑制效果，必須等NTC電阻器的溫度降至室溫或某個溫度下才能使用，否則起不到啟動浪涌電流抑制的作用。

2.2 功率電阻并聯繼電器抑制啟動浪涌電流

該方法是在輸入母線的限流功率電阻兩端并聯一個繼電器，如圖3所示。剛上電時通過功率電阻進行限流，給電容充電，當電源上電完成進入正常輸出狀態(tài)后，閉合繼電器，此時輸入母線電流主要流經繼電器，功率電阻的熱耗可以忽略不計。

圖3 功率電阻并聯繼電器方案

此種啟動浪涌電流抑制方式避免了僅使用NTC電阻器不能連續(xù)啟動的缺點，而且具有非常好的浪涌電流抑制效果。但該方式的缺點也顯而易見：首先是繼電器的體積比較大，在追求小體積的今天不太實用；其次，繼電器需要控制電路，而控制電路的電壓往往會影響電路復雜性，增大元器件數量，使PCB布局也更加困難。同時繼電器由打開狀態(tài)切換到閉合時，在高壓直流上容易出現拉弧現象，導致二次浪涌電流的形成。然而最主要的是機械繼電器存在抗振動性能差的致命缺陷，不適合用在振動的惡劣環(huán)境。

2.3 軟啟動技術抑制啟動浪涌電流

軟啟動技術可以用來抑制啟動浪涌電流，且效果非常明顯，特別是對于容性負載。該方案通過對電源軟啟動，使電源輸出電壓平穩(wěn)緩慢上升，也就是通過減小電源輸出電壓的上升斜率，實現電源輸出電容或負載緩慢充電，從而減小輸出浪涌電流，避免開關電源承受巨大的電流應力，保護了開關電源，同時進而減小了輸入啟動浪涌電流。

從上述軟啟動技術抑制浪涌電流的原理可以看出，該技術雖然可以抑制電源輸出端帶來的啟動浪涌電流，但無法抑制電源輸入端電容引起的啟動浪涌電流。因此該技術主要針對的是電源輸出負載的抑制，配合輸入啟動浪涌電流的抑制效果會更加好。

3 新型輸入啟動浪涌電流抑制電路設計

在傳統的輸入啟動浪涌電流抑制電路（功率電阻并聯繼電器的方案）基礎上，將繼電器更改為功率半導體器件，再以輔助器件進行控制，就能很好地避免傳統浪涌電流抑制電路的缺點。這種新型輸入啟動浪涌電流抑制方式正在越來越多地被追求可靠性、小型化的電源所采用。

新型輸入啟動浪涌電流抑制電路，采用導通電阻 Rds（on）更小的 NMOSFET管來設計，為了避免設計驅動電路，采用了將NMOSFET管串接在負端母線上，通過輸入正端電壓來驅動，做到真正的無驅動設計。

3.1 原理及框圖

圖4所示為新型輸入啟動浪涌電流抑制電路，圖中電路以機載DC270V作為供電系統，當然也可以使用交流AC220V為供電系統，只不過該部分浪涌抑制電路需接入在交流輸入整流之后的DC311V上，如圖1所示。新型輸入啟動浪涌電流抑制電路工作原理是將電源的啟動分為兩部分：第一部分為前端電容充電部分，第二部分為電源啟動后帶載工作部分，利用NMOSFET管的開關作用，使兩部分工作在不同的供電母線上。從前面分析可知，啟動浪涌電流都是發(fā)生在第一部分，因此第一部分需工作在供電母線上有限流電阻階段，以達到減小沖擊電流的作用，第二部分需工作在供電母線零損耗階段，以減小不必要的能量損耗。

圖4 NMOSFET有源浪涌電流抑制電路

NMOSFET有源浪涌電流抑制電路工作方式如下：電源 V1 啟動，由 R1、R2、D1、C2 組成的 RC 延時電路剛開始工作，此時NMOSFET管M1未打開，所以電源V1通過R3供電母線給電容充電，可以通過調節(jié)R3的阻值實現調節(jié)沖擊電流的大小，沖擊電流I=V1/R3；當RC延時電路使NMOSFET管M1的G腳電壓達到開啟電壓時，NMOSFET管M1打開，使R3脫離供電母線，此時電源V1通過NMOSFET管M1供電母線給后端進行供電，減小供電母線上的損耗。

不管是哪種輸入啟動浪涌抑制方式，都是通過對輸入電容緩慢充電實現的。同時開關電源啟動對輸入電壓波形一般只需單調上升，并沒有對上升斜率有很嚴格的要求，只要輸入電壓達到開關電源的啟動電壓就能開啟。因此新型輸入啟動浪涌電流抑制電路和其他浪涌電流抑制電路一樣，對提高電源的品質有幫助，并不會影響電源的使用。

3.2 關鍵器件參數

NMOSFET管M1：首先Vds必須大于輸入電壓Vin，當 MOS 未打開時，Vds=Vin；其次 Ids必須大于電壓工作的最大電流；同時Rds（on）越小，電路工作時，母線上的損耗越小。

功率電阻R3：功率電阻阻值的選擇，要滿足浪涌電流的要求，即R=Vin/I；功率電阻的額定功率P要大于電流啟動至空載時其所承受的最大功率，即即P=U×I2，I2為電源啟動至空載時的最大電流。例如：在DC270V系統中，選取100Ω、10W的電阻，此時可以算得啟動時的浪涌電流為I=270V/100Ω=2.7A；100Ω、10W電阻，最大電流為0.3A，能提供的最大功率為P=270V×0.3A=81W，遠大于電源板啟動至空載功率8W。

R1、R2、D1 組成的保護電路：其中 R1、R2 為分壓電阻，保證M1的柵極門限電壓在正常范圍內，防止M1的柵極電壓過壓（D1為穩(wěn)壓管，起保護作用，一般選用12V穩(wěn)壓管，使M1柵極電壓不會高于12V）損壞M1，由于MOS管所需要的驅動電流非常小，所以R1、R2可選較大的電阻值，只要能保證分壓在M1的柵極門限電壓在正常范圍即可。

3.3 實驗結果

本次實驗采用機載DC270V作為供電系統進行試驗，其中R為5Ω的熱敏電阻，C1為330μF的機載電源板，后端為DC-DC模塊，框圖如圖5所示。輸入啟動浪涌電流測試結果如圖6所示。

圖5 測試電源板原理框圖

在圖5的基礎上增加本新型有源浪涌電流抑制電路（參數和圖4一致）后，浪涌電流測試結果如圖7所示：

使用NTC浪涌電流抑制方法后啟動浪涌電流達到了30.1A，而使用新型輸入啟動浪涌電流抑制電路后啟動浪涌電流僅為2.6A，與理論計算的浪涌電流I=270V/100Ω=2.7A非常接近。從測試結果可以看出，新型輸入啟動浪涌電流抑制電路對啟動浪涌電流的抑制效果非常明顯。

3.4 該電路的優(yōu)點

本文設計的新型輸入啟動浪涌電流抑制電路的優(yōu)點為：

（1）采用N溝道MOSFET管控制功率電阻，體積小，壽命長，不會出現繼電器由打開到閉合狀態(tài)下引發(fā)的拉弧現象以及二次浪涌電流的現象。

圖6 電源板實測啟動浪涌電流

圖7 加入浪涌電流抑制電路后電源板實測啟動浪涌電流

（2）無驅動電路，電路簡單，使用器件少，因此成本低。這也是本電路最為創(chuàng)新的地方，不管是繼電器、可控硅還是NMOS管，都需要驅動電路來控制，都將使電路復雜、增加體積，本電路通過采用輸入電壓來代替驅動來控制，實現無驅動控制。

（3）采用N溝道MOSFET管，導通電阻小，因此自身損耗小，更能適應大功率系統使用。相比P溝道MOSFET管來說，都是無驅動電路，但N溝道MOSFET管的導通電阻比P溝道MOSFET管更小，因此自身損耗也更小。

4 結語

新型輸入啟動浪涌電流抑制電路，是一種結構簡單、無損耗、無驅動、低成本、體積小而且具有顯著效果的電源輸入啟動浪涌電流抑制電路，為抑制電源輸入啟動浪涌電流提供了一種全新的設計方案。該電路啟動速度快，允許再上電時間短，能適應大功率設備，提高了電源的適應性和穩(wěn)定性，為供電系統的安全與穩(wěn)定提供了保障。