陳明中，鄭寄平，阮 翔

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十二研究所軍工分所，浙江 杭州310012）

0 引言

電子設(shè)備為了提高電源品質(zhì)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(dòng)瞬間要吸取大量的電流，也就是我們通常所說的啟動(dòng)浪涌電流，其通?？梢赃_(dá)到電源靜態(tài)工作電流的幾十倍甚至上百倍。由此，可能導(dǎo)致電子設(shè)備一直處于振蕩狀態(tài)，無法啟動(dòng)或引起本系統(tǒng)內(nèi)的其他電子設(shè)備瞬間掉電。如在GJB 181B-2012中對(duì)機(jī)載設(shè)備的啟動(dòng)浪涌電流做了明確要求，即電流峰值應(yīng)不大于5倍額定電流值。本文就啟動(dòng)浪涌電流產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，同時(shí)在傳統(tǒng)的輸入啟動(dòng)浪涌電流抑制電路的基礎(chǔ)上提出一種新型浪涌電流抑制電路的設(shè)計(jì)，該電路具有非常好的浪涌電流抑制作用。

1 輸入啟動(dòng)浪涌電流產(chǎn)生的原因及危害

1.1 輸入啟動(dòng)浪涌電流產(chǎn)生的原因

電子設(shè)備電源的核心部分是電壓變換電路，一般為DC-DC變換器，對(duì)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(shí)，輸入電源會(huì)為該電容器充電。而電容充電特性實(shí)際上就會(huì)導(dǎo)致啟動(dòng)浪涌電流現(xiàn)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(lián)電阻ESR，通常ESR只有毫歐級(jí)別。對(duì)AC220V供電系統(tǒng)來說，啟動(dòng)瞬間的浪涌電流：I=311V/ESR，可以想象此時(shí)浪涌電流有多大。隨著制造工藝的進(jìn)步，電容的等效串聯(lián)電阻越來越低，因此啟動(dòng)的浪涌電流會(huì)越來越大。

圖1 電源板的一般構(gòu)架

1.2 輸入啟動(dòng)浪涌電流產(chǎn)生的危害

通過以上的分析，如果沒有開機(jī)啟動(dòng)浪涌電流抑制電路，對(duì)于作為輸入的開關(guān)電源來說，在開機(jī)時(shí)會(huì)產(chǎn)生幾十安培甚至近百安培的浪涌電流。這樣大的電流會(huì)對(duì)輸入回路及電網(wǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重的沖擊，主要表現(xiàn)為以下幾種危害：

（1）輸入回路的保護(hù)單元誤動(dòng)作。沖擊電流會(huì)導(dǎo)致空氣開關(guān)不能合閘，甚至造成開關(guān)觸點(diǎn)的粘連，進(jìn)而使空氣開關(guān)失效。同理，對(duì)于輸入回路的保險(xiǎn)絲，浪涌電流的沖擊，會(huì)迅速使其熔斷，甚至炸裂[1]。

（2）對(duì)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(huì)通過浪涌電流，巨大的量值及作用時(shí)間，完全可以使這些電子元件器產(chǎn)生過電流應(yīng)力，造成電子元器件的可靠性降低甚至損壞。

（3）導(dǎo)致供電系統(tǒng)內(nèi)其他設(shè)備工作異常。在同一供電系統(tǒng)的設(shè)備，會(huì)因?yàn)槔擞侩娏鲗?dǎo)致供電系統(tǒng)電壓瞬時(shí)下降，從而出現(xiàn)瞬時(shí)掉電重啟的現(xiàn)象，更有甚者會(huì)導(dǎo)致整個(gè)供電系統(tǒng)的裝載量下降，使用效率降低。

（4）對(duì)供電網(wǎng)絡(luò)的擾動(dòng)。如果開關(guān)電源在開機(jī)時(shí)產(chǎn)生巨大沖擊電流，會(huì)對(duì)供電網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生電流的擾動(dòng)。同時(shí)開機(jī)浪涌電流還會(huì)產(chǎn)生較大的低次諧波電流污染。

2 傳統(tǒng)的輸入啟動(dòng)浪涌電流抑制電路分析

傳統(tǒng)抑制啟動(dòng)浪涌電流的方法有3種。

2.1 NTC抑制啟動(dòng)浪涌電流

NTC浪涌電流抑制方法是在輸入母線上串聯(lián)一個(gè)或若干個(gè)NTC（負(fù)溫度系數(shù)）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(dòng)時(shí)，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(dòng)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(shí)電阻值的1/15，大大減少了開關(guān)電源工作時(shí)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(dòng)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(dòng)時(shí)，電阻值較大，雖然對(duì)啟動(dòng)浪涌電流的抑制效果好，但導(dǎo)致電容Cin的充電電流小，可能會(huì)影響到電源的啟動(dòng)；高溫啟動(dòng)時(shí)，電阻值變的比較小，對(duì)浪涌電流的抑制能力變差，可能會(huì)達(dá)不到要求的浪涌電流抑制效果，所以該方案對(duì)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(duì)上電時(shí)間間隔有要求，由于NTC電阻器的冷卻需要一定的時(shí)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(gè)溫度下才能使用，否則起不到啟動(dòng)浪涌電流抑制的作用。

2.2 功率電阻并聯(lián)繼電器抑制啟動(dòng)浪涌電流

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

圖3 功率電阻并聯(lián)繼電器方案

此種啟動(dòng)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(dòng)的缺點(diǎn)，而且具有非常好的浪涌電流抑制效果。但該方式的缺點(diǎn)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(shí)用；其次，繼電器需要控制電路，而控制電路的電壓往往會(huì)影響電路復(fù)雜性，增大元器件數(shù)量，使PCB布局也更加困難。同時(shí)繼電器由打開狀態(tài)切換到閉合時(shí)，在高壓直流上容易出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象，導(dǎo)致二次浪涌電流的形成。然而最主要的是機(jī)械繼電器存在抗振動(dòng)性能差的致命缺陷，不適合用在振動(dòng)的惡劣環(huán)境。

2.3 軟啟動(dòng)技術(shù)抑制啟動(dòng)浪涌電流

軟啟動(dòng)技術(shù)可以用來抑制啟動(dòng)浪涌電流，且效果非常明顯，特別是對(duì)于容性負(fù)載。該方案通過對(duì)電源軟啟動(dòng)，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(shí)現(xiàn)電源輸出電容或負(fù)載緩慢充電，從而減小輸出浪涌電流，避免開關(guān)電源承受巨大的電流應(yīng)力，保護(hù)了開關(guān)電源，同時(shí)進(jìn)而減小了輸入啟動(dòng)浪涌電流。

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

3 新型輸入啟動(dòng)浪涌電流抑制電路設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)的輸入啟動(dòng)浪涌電流抑制電路（功率電阻并聯(lián)繼電器的方案）基礎(chǔ)上，將繼電器更改為功率半導(dǎo)體器件，再以輔助器件進(jìn)行控制，就能很好地避免傳統(tǒng)浪涌電流抑制電路的缺點(diǎn)。這種新型輸入啟動(dòng)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(dòng)浪涌電流抑制電路，采用導(dǎo)通電阻 Rds（on）更小的 NMOSFET管來設(shè)計(jì)，為了避免設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路，采用了將NMOSFET管串接在負(fù)端母線上，通過輸入正端電壓來驅(qū)動(dòng)，做到真正的無驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。

3.1 原理及框圖

圖4所示為新型輸入啟動(dòng)浪涌電流抑制電路，圖中電路以機(jī)載DC270V作為供電系統(tǒng)，當(dāng)然也可以使用交流AC220V為供電系統(tǒng)，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(dòng)浪涌電流抑制電路工作原理是將電源的啟動(dòng)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(dòng)后帶載工作部分，利用NMOSFET管的開關(guān)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(dòng)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(dá)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(dòng)，由 R1、R2、D1、C2 組成的 RC 延時(shí)電路剛開始工作，此時(shí)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(diào)節(jié)R3的阻值實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)沖擊電流的大小，沖擊電流I=V1/R3；當(dāng)RC延時(shí)電路使NMOSFET管M1的G腳電壓達(dá)到開啟電壓時(shí)，NMOSFET管M1打開，使R3脫離供電母線，此時(shí)電源V1通過NMOSFET管M1供電母線給后端進(jìn)行供電，減小供電母線上的損耗。

不管是哪種輸入啟動(dòng)浪涌抑制方式，都是通過對(duì)輸入電容緩慢充電實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)開關(guān)電源啟動(dòng)對(duì)輸入電壓波形一般只需單調(diào)上升，并沒有對(duì)上升斜率有很嚴(yán)格的要求，只要輸入電壓達(dá)到開關(guān)電源的啟動(dòng)電壓就能開啟。因此新型輸入啟動(dòng)浪涌電流抑制電路和其他浪涌電流抑制電路一樣，對(duì)提高電源的品質(zhì)有幫助，并不會(huì)影響電源的使用。

3.2 關(guān)鍵器件參數(shù)

NMOSFET管M1：首先Vds必須大于輸入電壓Vin，當(dāng) MOS 未打開時(shí)，Vds=Vin；其次 Ids必須大于電壓工作的最大電流；同時(shí)Rds（on）越小，電路工作時(shí)，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(dòng)至空載時(shí)其所承受的最大功率，即即P=U×I2，I2為電源啟動(dòng)至空載時(shí)的最大電流。例如：在DC270V系統(tǒng)中，選取100Ω、10W的電阻，此時(shí)可以算得啟動(dòng)時(shí)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(yuǎn)大于電源板啟動(dòng)至空載功率8W。

R1、R2、D1 組成的保護(hù)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(nèi)，防止M1的柵極電壓過壓（D1為穩(wěn)壓管，起保護(hù)作用，一般選用12V穩(wěn)壓管，使M1柵極電壓不會(huì)高于12V）損壞M1，由于MOS管所需要的驅(qū)動(dòng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

本次實(shí)驗(yàn)采用機(jī)載DC270V作為供電系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，其中R為5Ω的熱敏電阻，C1為330μF的機(jī)載電源板，后端為DC-DC模塊，框圖如圖5所示。輸入啟動(dòng)浪涌電流測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖5 測(cè)試電源板原理框圖

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

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

3.4 該電路的優(yōu)點(diǎn)

本文設(shè)計(jì)的新型輸入啟動(dòng)浪涌電流抑制電路的優(yōu)點(diǎn)為：

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

圖6 電源板實(shí)測(cè)啟動(dòng)浪涌電流

圖7 加入浪涌電流抑制電路后電源板實(shí)測(cè)啟動(dòng)浪涌電流

（2）無驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)電路來控制，都將使電路復(fù)雜、增加體積，本電路通過采用輸入電壓來代替驅(qū)動(dòng)來控制，實(shí)現(xiàn)無驅(qū)動(dòng)控制。

（3）采用N溝道MOSFET管，導(dǎo)通電阻小，因此自身損耗小，更能適應(yīng)大功率系統(tǒng)使用。相比P溝道MOSFET管來說，都是無驅(qū)動(dòng)電路，但N溝道MOSFET管的導(dǎo)通電阻比P溝道MOSFET管更小，因此自身損耗也更小。

4 結(jié)語

新型輸入啟動(dòng)浪涌電流抑制電路，是一種結(jié)構(gòu)簡單、無損耗、無驅(qū)動(dòng)、低成本、體積小而且具有顯著效果的電源輸入啟動(dòng)浪涌電流抑制電路，為抑制電源輸入啟動(dòng)浪涌電流提供了一種全新的設(shè)計(jì)方案。該電路啟動(dòng)速度快，允許再上電時(shí)間短，能適應(yīng)大功率設(shè)備，提高了電源的適應(yīng)性和穩(wěn)定性，為供電系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定提供了保障。