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抑制開(kāi)關(guān)電源浪涌,且看軟啟動(dòng)電路顯神通!

發(fā)布時(shí)間:2014-10-24 責任編輯:echolady

【導讀】開(kāi)關(guān)電源普及速度之快全在于電子電路的設計能夠跟上發(fā)展趨勢。而且開(kāi)關(guān)電源隨著(zhù)市場(chǎng)趨勢成本降低,功效提升,成為電路設計的主流。開(kāi)關(guān)電源雖已發(fā)展成熟,但仍存在很多弊端。

開(kāi)關(guān)電源也并非完美的,大部分開(kāi)關(guān)電源都存在一個(gè)弊病,就是在通電的瞬間需要一個(gè)比較大的電流,而這個(gè)電流很有可能是電路在靜態(tài)工作模式下的10-100倍。
由于電流的瞬間增大,將很有可能產(chǎn)生兩個(gè)方面的問(wèn)題。第一點(diǎn),如果電路從直流電源得不到足夠的啟動(dòng)電流,那么開(kāi)關(guān)電源就有可能成為鎖定的狀態(tài),導致無(wú)法啟動(dòng)。第二點(diǎn),這種浪涌電流可能造成輸入電源電壓的降低,足以引起使用同一輸入電源的其它動(dòng)力設備瞬間掉電。

常見(jiàn)的抑制開(kāi)關(guān)電源浪涌的方法

常見(jiàn)的對開(kāi)關(guān)電源中輸入浪涌電流的限制方法,是采用在電路中串聯(lián)NTC的方式,NTC是負溫度系數熱敏限流電阻器的縮寫(xiě)。這種方法較為簡(jiǎn)單,然而這種簡(jiǎn)單的方法具有很多缺點(diǎn):如NTC電阻器的限流效果受環(huán)境溫度影響較大、限流效果在短暫的輸入主電網(wǎng)中斷(約幾百毫秒數量級)時(shí)只能部分地達到、NTC電阻器的功率損耗降低了開(kāi)關(guān)電源的轉換效率。其實(shí)上面提出的這兩個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)一個(gè)“軟啟動(dòng)電路”來(lái)解決,下面就對這種解決方法進(jìn)行詳細的介紹。

開(kāi)關(guān)電源浪涌是如何產(chǎn)生的

在談解決方案之前,首先要了解浪涌電流是如何產(chǎn)生的,這樣才能達到最有效抑制的目的。目前使用的大多數開(kāi)關(guān)電源和逆變器都是采用脈沖寬度調制來(lái)對電能進(jìn)行轉換。其中的核心部件是直流-直流轉換器。如圖1所示的開(kāi)關(guān)電源中,輸入電壓首先經(jīng)過(guò)干擾濾波,再通過(guò)橋式整流器變成直流,然后通過(guò)一個(gè)很大的電解電容器進(jìn)行波形平滑,之后才能進(jìn)入真正的直流-直流轉換器。輸入浪涌電流就是在對這個(gè)電解電容器進(jìn)行初始充電時(shí)產(chǎn)生的,它的大小取決于起動(dòng)上電時(shí)輸入電壓的幅值,以及由橋式整流器和電解電容器所形成回路的總電阻。如果恰好在交流輸入電壓的峰值點(diǎn)起動(dòng)時(shí),就會(huì )出現峰值輸入浪涌電流。

抑制開(kāi)關(guān)電源浪涌,且看軟啟動(dòng)電路顯神通!
 
不僅是開(kāi)關(guān)電源,變壓器的電源在進(jìn)行啟動(dòng)同樣會(huì )出現輸入浪涌電流。然而,這種輸入浪涌電流的出現原因有所不同。當變壓器電源在正弦輸入電壓的過(guò)零點(diǎn)起動(dòng)時(shí),變壓器磁芯的磁化在前幾個(gè)周期中被迫進(jìn)入一種不平衡狀態(tài)。結果,磁芯在每個(gè)半周飽和。

而在此時(shí),產(chǎn)生的勵磁電流僅由較小的漏電感寄生電阻來(lái)抑制,這會(huì )產(chǎn)生很大的輸入浪涌電流。變壓器電源通常帶有特殊的輸入浪涌電流限制器來(lái)保證其在正弦輸入電壓的峰值起動(dòng),以防止出現很高的輸入浪涌電流。而如果在開(kāi)關(guān)電源中也使用這種輸入浪涌電流限制器,則如前文所述,后果恰恰相反,不但起不到限流作用,反而會(huì )導致出現峰值輸入浪涌電流。所以今天只討論開(kāi)關(guān)電源浪涌電流的產(chǎn)生和消除,變壓器電源不在論述范圍。
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軟啟動(dòng)電路的原理及應用

與上述的傳統方法不同,如果在開(kāi)關(guān)電源中采用軟啟動(dòng)電路,進(jìn)行浪涌電流的抑制,則能夠完全避免傳統浪涌電流抑制方法的缺點(diǎn)。通過(guò)“軟啟動(dòng)”來(lái)控制開(kāi)關(guān)電源的啟動(dòng)以消除浪涌電流,包含這樣兩條設計原則:即在加電瞬間除去負載、同時(shí)限制有用的電流。如果不驅動(dòng)負載,開(kāi)關(guān)電源啟動(dòng)時(shí)一般電流很小。在很多情況下,啟動(dòng)電流實(shí)際有可能要比利用這種方法保持的穩態(tài)工作電流小。

下面我們通過(guò)一個(gè)例子來(lái)講解軟啟動(dòng)技術(shù),例中的開(kāi)關(guān)電源為-48 V~+5 V,含有LT1172HVCT的穩壓器,從負到正補償提升式(buck-boost)轉換器,其實(shí)任何一個(gè)從-48 V~+5 V的開(kāi)關(guān)電源都能工作。其中,軟啟動(dòng)電路和開(kāi)關(guān)電源電路是相互獨立的,電氣原理如圖2所示。

抑制開(kāi)關(guān)電源浪涌,且看軟啟動(dòng)電路顯神通!
 
圖2當中的電路工作原理其實(shí)非常簡(jiǎn)單,在電路通電之初,全部晶體管都是截止的,C1處于放電狀態(tài),這時(shí)負載是斷開(kāi)的,輸入電流由限流電阻R4分流。當開(kāi)關(guān)電源啟動(dòng)時(shí),它的輸出電壓開(kāi)始升高,在輸出電壓達到4.5 V的時(shí)候(D1兩端3.9 V加上Q3的Veb=0.6 V),Q3導通并對C1充電。當C1兩端的電壓VC達到Q1的門(mén)限電壓時(shí)(通常為3 V),Q1導通。VC繼續升高,Q1完全導通,對輸入電流提供一個(gè)低阻抗通路,并且有效地旁路了限流電阻R4。當VC達到7.4 V時(shí)(D2兩端6.8 V加上Q4的Vbe=0.6V),Q4導通,同時(shí)對Q2提供偏壓,也是Q2導通。這樣就使負載通過(guò)一個(gè)低阻抗與電源連接。至此,電源已被安全啟動(dòng),軟啟動(dòng)電路也已完成其功用。利用下列公式可以計算出Q1和Q2的導通時(shí)間:
抑制開(kāi)關(guān)電源浪涌,且看軟啟動(dòng)電路顯神通!
在VC等于3 V的時(shí)候Q1導通,也就是說(shuō)在電源的輸出達到4.5 V以后,大約150 ms時(shí)導通;在VC等于7.4 V時(shí)Q2導通,即在Q1導通后的330 ms時(shí)導通。這樣長(cháng)的時(shí)間,足以保證電源需要的穩定時(shí)間和使Q1與Q2緩慢地導通。因為要把啟動(dòng)電流保持在一個(gè)最小值,所以FET(場(chǎng)效應管)的緩慢導通是至關(guān)重要的。若FET轉換太快,有可能產(chǎn)生一個(gè)大的浪涌電流,失去軟啟動(dòng)電路的效用。

需要注意的是,為了對浪涌電流進(jìn)行抑制而加裝軟啟動(dòng)電路,是需要付出代價(jià)的。從整體來(lái)講,這種電路可看作是電源的一部分,它要消耗功率,使電源的效率降低。大部分功率損失是由于輸出傳遞場(chǎng)效應管Q2的導通電阻不為零所造成的。這種IRFD9210的導通電阻為0.6 Ω。在500 mA輸出電流時(shí),Q2將消耗300 mW功率。如果不允許這樣大的損耗,可以采用導通電阻更小的FET。

因為開(kāi)關(guān)電源電壓的感測是取自場(chǎng)效應管Q2的輸入端,所以這種穿過(guò)Q2的電阻也影響負載電壓的穩定。只要負載電流是相對恒定的,這個(gè)問(wèn)題就并不嚴重。如果輸出電壓的變化較大,可以選用導通電阻低的FET來(lái)改善,也可以在軟啟動(dòng)電路工作完成以后,在Q2的輸出端加一個(gè)電壓感測電路來(lái)改善。

結語(yǔ)

本文中詳述了電流浪涌的形成,以及軟啟動(dòng)電路在抑制開(kāi)關(guān)電源浪涌中祈禱的關(guān)鍵作用。通過(guò)具體的實(shí)驗數據,充分證明了軟啟動(dòng)電路的控制能力很強。文中應用的開(kāi)關(guān)電源為-48V-+5V,這個(gè)范圍適合各種開(kāi)關(guān)電源的浪涌電流抑制。

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