浪涌电流限制方案的各自优势
mouser 2021-11-16

引言

通常在开关电源启动时,可能需要输入端的主电网提供短时的大电流脉冲,这种电流脉冲通常被称为“输入浪涌电流(inrush current)”。输入浪涌电流给主电网中的断路器(main circuit breaker)和其它熔断器的选择造成了麻烦:断路器一方面要保证在过载时熔断,起到保护作用;另一方面又必须在输入浪涌电流出现时不能熔断,避免误动作。另外,输入浪涌电流会产生输入电压波形塌陷,使供电质量变差,进而影响其它用电设备的工作。

出现输入浪涌电流的原因

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启动,就会出现峰值输入浪涌电流。

“图1:开关电源输入端简图”图1:开关电源输入端简图

限制开机浪涌电流的五种对策大比拼

方案一

最常用的输入浪涌电流限制方法:串联负温度系数热敏电阻器(NTC)。

“图2:串联NTC限制开机浪涌电流”图2:串联NTC限制开机浪涌电流

串联负温度系数热敏电阻器(NTC)无疑是目前为止最简单的抑制输入浪涌电流的方法。因为NTC电阻器会随温度升高而降低。在开关电源启动时,NTC电阻器处于常温,有很高的电阻,可以有效地限制电流;而在电源启动之后,NTC电阻器会由于自身散热而迅速升温至约110℃,电阻值则减少到室温时的十五分之一左右,减少了开关电源正常工作时的功率损耗。

优点:

电路简单实用、成本低。

缺点:

1、NTC电阻器的限流效果受环境温度影响较大:如果在低温(零下)启动,电阻过大,充电电流过小,开关电源可能无法启动;如果在高温启动,电阻器的阻值过小,则可能达不到限制输入浪涌电流的效果。

2、限流效果在短暂的输入主电网中断(约几百毫秒数量级)时无法充分发挥作用。在这个短暂的中断期间,电解电容器已被放电,而NTC电阻器的温度仍很高,阻值很小,在需要电源马上重新启动时,NTC无法有效地实现限流作用。

3、NTC电阻器的功率损耗降低了开关电源的转换效率。

方案二

对于微功率开关电源,直接使用功率电阻器限制浪涌电流。

“图3:直接串联功率电阻器限制浪涌电流(只适合微功率开关电源)”图3:直接串联功率电阻器限制浪涌电流(只适合微功率开关电源)

优点:

电路简单、成本低,而且浪涌电流限制功能几乎不受高低温的影响。

缺点:

只适合微功率开关电源、对效率影响很大。

方案三

NTC热敏电阻器与普通功率电阻器并联的方式来限制浪涌电流。

“图4:NTC热敏电阻器与功率电阻器并联的方式来抑制开机浪涌电流”图4:NTC热敏电阻器与功率电阻器并联的方式来抑制开机浪涌电流

常温启动时,通过并联功率电阻器与热敏电阻器来限制浪涌电流,在低温启动时NTC热敏电阻器的阻值急剧升高,但功率电阻器阻值基本保持不变,以确保低温启动,不过在高温实验时浪涌电流也很大。

优点:

简单实用、对于常温和低温启动效果不错。

缺点:

效率影响较大,高温浪涌电流大。

方案四

串联固定电阻器配合晶闸管,来限制输入浪涌电流。

“图5:串联固定电阻器配合晶闸管来限制开机浪涌电流”图5:串联固定电阻器配合晶闸管来限制开机浪涌电流

上电时,VS截止,电流经过R1,R1起到限流作用,达到一定条件,VS导通,将R1断路,使效率损失大大降低。

优点:

功耗低和浪涌电流限制功能几乎不受高低温的影响。

缺点:

体积大、成本高。

方案五

利用MOSFET开关管及延时网络电路抑制浪涌电流。

“图5:利用开关管延时电路抑制浪涌电流”图5:利用开关管延时电路抑制浪涌电流

电路基本工作原理是:由于DC-DC开关电源的输入端接有容性滤波电路,在开机加电时由于需要为滤波电容C1、C2充电,所以会瞬间产生较大的浪涌电流,此时在母线输入的地线上接入的MOSFET(VT1)的漏源极并未导通。随着R2、R3、DZ1及CA1组成的延时电路给MOSFET(VT1)的栅极加电,使MOSFET(VT1)的漏源极逐渐导通,从而有效减小了开机瞬间由输入端的容性滤波电路充电而产生的浪涌电流值。当电路进入稳定工作状态下,其漏源极始终处于导通状态。

由于实际的开关电源产品设计中对于浪涌电流抑制的要求不尽相同,可通过调节CA1的具体参数而获得不同的浪涌电流抑制结果。

优点:

功耗低;常温、低温、高温对浪涌电流的限制效果都特别好。

缺点:

体积大、成本高。

小结

各种浪涌电流限制方案各有各的优势,没有绝对的哪种方案更好,而且对于各种电源产品的要求都不一样,选择适合的就好。 

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