【導讀】我們日常生活中使用的各種家用電器，以及乘坐的汽車(chē)和火車(chē)等交通工具都是電源的廣泛應用，而且電源設備在軍工及航空航天等特殊行業(yè)中也有著(zhù)極其廣泛的應用。
一、摘要
我們日常生活中使用的各種家用電器，以及乘坐的汽車(chē)和火車(chē)等交通工具都是電源的廣泛應用，而且電源設備在軍工及航空航天等特殊行業(yè)中也有著(zhù)極其廣泛的應用。
為保證電源設備穩定工作不被干擾，需要在電源設備的輸入端并聯(lián)電容。同時(shí)為實(shí)現電源設備的輸入過(guò)載保護，還會(huì )在電源設備的輸入端串聯(lián)保險絲或斷路器等。由于輸入電容的存在，電源設備在啟動(dòng)過(guò)程中將會(huì )產(chǎn)生較大的輸入沖擊電流，可能會(huì )導致保險絲熔斷或斷路器跳閘等問(wèn)題。本文將從電源設備輸入沖擊電流抑制方案的設計與應用，給出可靠的解決方案。
二、輸入沖擊電流的產(chǎn)生原因
輸入沖擊電流產(chǎn)生路徑如圖1所示。
供電系統啟動(dòng)時(shí)，輸入電壓Vin快速升高，輸入電壓Vin通過(guò)輸入等效阻抗Rin對輸入等效大電容Cin進(jìn)行充電。輸入回路沒(méi)有使用輸入沖擊電路抑制電路時(shí)，由于輸入等效阻抗Rin主要為PCB走線(xiàn)阻抗、EMC電路中共模/差模電感阻抗和端口連接阻抗等，輸入等效阻抗Rin相對較?。ㄏ鄬τ谳斎霙_擊電路抑制電路的阻抗可忽略不計），將導致較大的輸入沖擊電流。
在110VDC輸入，輸入等效大電容Cin為100uF，未加電流抑制電路時(shí)，輸入沖擊電流典型波形如圖2所示，輸入沖擊電流達到170A。
三、輸入沖擊電流抑制電路應用系統框圖
輸入沖擊電流抑制電路應用系統框圖如圖3所示。
輸入沖擊電流過(guò)大將會(huì )導致輸入端保險絲熔斷或斷路器跳閘等問(wèn)題，對于高可靠性要求的行業(yè)應用，進(jìn)行輸入沖擊電流抑制必不可少。
四、電路方案對比
為了有效抑制輸入沖擊電流，行業(yè)內常采用的方案有以下幾種：
方案1：將電阻器串聯(lián)在電源設備的輸入回路中，進(jìn)行輸入沖擊電流抑制，輸入回路串聯(lián)電阻器R1后的方案示意圖如圖4所示。
供電系統開(kāi)始供電時(shí)，輸入等效大電容Cin電壓較小，輸入沖擊電流最大為，為有效抑制輸入沖擊電流，串聯(lián)電阻器R1需要較大的阻值，電源設備穩定工作時(shí)，將有持續的電流流過(guò)電阻器R1，電阻器R1存在發(fā)熱嚴重和影響產(chǎn)品效率的缺點(diǎn)。
以輸入電壓Vin=110VDC，輸出功率Po=100W，產(chǎn)品效率?=93%，需求輸入沖擊電流Iin≤10A為例，可計算出電阻器R1取值為，穩態(tài)工作時(shí)電阻器R1的輸入電流，電阻器R1的損耗?？紤]到電阻器的尺寸和溫升等，一般需要電阻器R1的損耗小于1W，即對于輸出功率小于30W的小功率電源設備可考慮使用此方案，對于較大功率的電源設備需要采用更優(yōu)的方案設計。
方案2：將負溫度系數的熱敏電阻串聯(lián)在電源部分的輸入回路中，進(jìn)行輸入沖擊電流抑制，輸入回路串聯(lián)熱敏電阻RT后的方案示意圖如圖5所示。
為解決方案1固定電阻穩態(tài)發(fā)熱嚴重和影響產(chǎn)品效率的問(wèn)題，行業(yè)常用以上熱敏電阻方案。電源設備剛啟動(dòng)時(shí)，熱敏電阻還未發(fā)熱，阻值較大，可進(jìn)行輸入沖擊電流抑制，穩態(tài)工作后熱敏阻值降低，發(fā)熱量較小和對產(chǎn)品效率影響較小。
該方案具有熱敏電阻發(fā)熱量較小和對產(chǎn)品效率影響較小的優(yōu)點(diǎn)，但是由于負溫度熱敏電阻特性為阻值隨溫度的降低而降低和阻值恢復時(shí)間較長(cháng)，因此該方案存在的缺點(diǎn)有：
（1）高溫環(huán)境工作啟動(dòng)時(shí)，熱敏電阻阻值小，不能很好的抑制輸入沖擊電流；
（2）低溫環(huán)境工作啟動(dòng)時(shí)，熱敏電阻阻值大，可能會(huì )導致電源設備啟動(dòng)不良；
（3）電源設備開(kāi)關(guān)機間隔時(shí)間較短情況下啟動(dòng)時(shí)，熱敏電阻穩態(tài)工作阻值減小后還未恢復到較大的阻值，不能很好的抑制輸入沖擊電流。
方案3：將電阻器與電子開(kāi)關(guān)并聯(lián)后再串聯(lián)在電源設備的輸入回路中，并采用自動(dòng)控制電路控制該電子開(kāi)關(guān)是否與電源設備的輸入回路接通，進(jìn)行輸入沖擊電流的抑制。
輸入回路串聯(lián)電阻器、電子開(kāi)關(guān)和控制電路后的方案示意圖如圖6所示。
為解決方案1和方案2的缺點(diǎn)，可采用以上方案3，該方案啟動(dòng)時(shí)，電子開(kāi)關(guān)S1斷開(kāi)，電阻器R1進(jìn)行輸入沖擊電流抑制，穩態(tài)工作時(shí)電子開(kāi)關(guān)S1閉合，該方案的優(yōu)點(diǎn)為：
（1）可有效抑制輸入沖擊電流，同時(shí)由于電阻器R1、電子開(kāi)關(guān)S1和控制電路受溫度影響較小，輸入沖擊電流抑制效果受溫度的影響也較??；
（2）電阻器和電子開(kāi)關(guān)損耗低、發(fā)熱量小，對電源設備正常工作時(shí)的效率的影響較??；
（3）控制電路恢復時(shí)間快，電源設備開(kāi)關(guān)機間隔時(shí)間較短時(shí)也能夠有效抑制輸入沖擊電流。
方案4：將電子開(kāi)關(guān)串聯(lián)在電源設備的輸入回路中，并采用自動(dòng)控制電路控制電子開(kāi)關(guān)的阻抗進(jìn)行輸入沖擊電流的恒流控制，輸入回路串聯(lián)電子開(kāi)關(guān)和控制電路后的方案示意圖如圖7所示。
為解決方案1和方案2的缺點(diǎn)，還可采用以上方案4，該方案除具有方案3的優(yōu)點(diǎn)外，還具有的優(yōu)點(diǎn)為：
（1）不使用電阻器R1，可降低系統設備的尺寸和成本。
（2）電子開(kāi)關(guān)的阻抗采用恒流控制，受輸入電壓變壓的影響較小。
綜上，對于性能和可靠性等要求較高的應用場(chǎng)合，可選擇方案3或4進(jìn)行設計。
五、電源設備可靠性設計
電源設備的設計要求高可靠性，在環(huán)境的影響（如冷卻、干熱、交變濕熱、振動(dòng)、沖擊等）、電磁兼容的影響（傳導騷擾抗擾度、輻射干擾抗擾度、電快速瞬變脈沖群、電源過(guò)電壓、浪涌、靜電放電等）和其它影響條件下，電路特性和壽命設計等都有應用規格要求。
電源設備的可靠性主要從以下三個(gè)方面進(jìn)行考慮：
1、設計可靠性：電路方案選型、降額設計、熱設計、安規設計、EMC設計和PCB設計等進(jìn)行可靠性設計；
2、原材料可靠性：失效率、MTBF、使用壽命等可靠性指標進(jìn)行物料選型；
3、制造可靠性：可制造性、生產(chǎn)環(huán)境、生產(chǎn)人員等保障制造可靠性。
六、電源設備應用方案
以金升陽(yáng)電源模塊應用于鐵路系統電力牽引控制單元為例，如圖8所示。
采用鐵路110VDC供電系統，經(jīng)過(guò)輸入沖擊電流抑制電路、保護電路和EMC電路等為DC/DC電源模塊供電，DC/DC電源電源模塊將電壓轉換為3種不同的輸出電壓，輸出電壓再經(jīng)過(guò)輸出EMI電路為不同需求的負載進(jìn)行供電。
板卡電源集成輸入沖擊電流抑制電路、EMC電路、保護電路（防反接、過(guò)欠壓、過(guò)流、短路等），該板卡電源輸出沖擊電流可抑制到10A以?xún)?、功能齊全、滿(mǎn)足鐵標EN50155認證要求等，可滿(mǎn)足系統應用需求，金升陽(yáng)板卡電源如圖9所示。
該板卡電源使用輸入沖擊抑制電路后的輸入沖擊電流波形如圖10所示。
七、小結
電源設備在各行各業(yè)的廣泛應用，對于高可靠性的電源設備離不開(kāi)輸入沖擊電流抑制這個(gè)電路方案設計，我司可為客戶(hù)提供配套的解決方案，針對鐵路等行業(yè)應用還可提供系統方案設計的板卡電源，更好的滿(mǎn)足客戶(hù)應用需求，簡(jiǎn)化客戶(hù)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和測試周期，綜合提升系統的穩定性、安全性和可靠性。
來(lái)源：金升陽(yáng)
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