什么是浪涌電流? 浪涌電流是電路打開吸收的最大電流,出現(xiàn)在輸入波形的幾個周期內(nèi)。浪涌電流的值遠高于電路的穩(wěn)態(tài)電流,高電流可能會損壞設(shè)備或觸發(fā)斷路器。浪涌電流通常出現(xiàn)在所有磁芯的設(shè)備中,如變壓器、工業(yè)電壓等。 為什么會出現(xiàn)浪涌電流? 產(chǎn)生浪涌電流的因素有很多,比如一些去耦電容或平滑電容組成的設(shè)備或系統(tǒng),在啟動時會消耗大量電流對其進行充電。 下面的圖可以看到浪涌電流、峰值電流和穩(wěn)態(tài)電流之間的差異: 浪涌電流、峰值電流和穩(wěn)態(tài)電流之間的差異 為什么會出現(xiàn)浪涌電流? 峰值電流:波形在正區(qū)域或負區(qū)域獲得的電流最大值。穩(wěn)態(tài)電流:定義為電路中每個時間間隔保持恒定的電流。當(dāng) di/dt = 0 時,達到穩(wěn)態(tài)電流,這意味著電流相對于時間保持不變。 浪涌電流特性 設(shè)備開啟時立即發(fā)生 出現(xiàn)時間跨度短 高于電路和裝置的的額定值 發(fā)生浪涌電流的的一些示例 白熾燈 感應(yīng)電機啟動 變壓器 打開基于SMPS的電源 電源轉(zhuǎn)換器中的浪涌電壓 為了降低輸入/輸出的紋波噪聲或EMI噪聲,現(xiàn)在通常是在輸入側(cè)并聯(lián)電容或者濾波器,如下所示。由于濾波器中有電容,當(dāng)系統(tǒng)開始上電時,由于輸入電壓的快速上升,會產(chǎn)生很高的浪涌電流。這種情況可能會導(dǎo)致前端電源供電不足,或者觸發(fā)過流保護,導(dǎo)致無電壓輸出,因此,浪涌電流的抑制變得越來越重要。 a圖并聯(lián)電容,b圖并聯(lián)了濾波器 抑制浪涌電壓的方法 被動抑制 如下所示,主要用于應(yīng)用電路需要外接大量電容時。如果沒有外部限流電路,直流母線電壓開啟時會產(chǎn)生很大的浪涌電壓,可能導(dǎo)致前端電源壓降進入保護模式。此時,只需在電容輸入串聯(lián)電阻和二極管即可,可以減輕浪涌電流。當(dāng)直流母線通過電阻給電容充電時,可以限制浪涌電流,但是,當(dāng)直流母線需要供電時,電容可以通過二極管將電能反饋給直流母線 主動抑制 另一種是采用帶軟啟動電路的有源開關(guān)來限制浪涌電流。如下所示,MOS管通過軟啟動電路緩慢開啟,因此,可以限制啟動期間的浪涌電流,優(yōu)點是不影響系統(tǒng)效率,不受緩解溫度影響。缺點是需要外接電路,整體成本較高。 采用帶軟啟動電路的有源開關(guān)來限制浪涌電流。 使用MOS管浪涌電流限制電路 使用MOS管浪涌電流限制電路 如上所述,已經(jīng)列舉了2種浪涌電流方法。下面介紹使用MOS管導(dǎo)通電路來抑制輸入電流此外,由于MOS管的導(dǎo)通損耗低,使用方便。優(yōu)點是零件少,缺點是有功率損耗。下面介紹有源和無源浪涌電流限制電路 有源浪涌電流限制電路(P-MOS管) 下圖為使用P溝道MOS管的浪涌電流限制電路。P溝道的導(dǎo)通步長與N溝道基本相同,只是電壓相反。在初始階段,C1上的電壓為0V。輸入電壓通過R2充電到C1。最后C1上的電壓通過分壓R1和R2之間的電壓來確定。Q1 開啟狀態(tài)由 Vgs 電壓決定。 -Vgs<-Vgs(th) 和 -Vgd<-Vgs(th)MOS管處于截止?fàn)顟B(tài),類似于開路。 -Vgs>-Vgs(th) 和 -Vgd>-Vgs(th)MOS管處于歐姆模式。Vds和Id的特性就像一個電阻,隨著Vgs電壓的升高而變小。 -Vgs>-Vgs(th) 和 -Vgd<-Vgs(th)MOS管 處于飽和模式。Id是固定值,不隨Vds變化。而且MOSFET的導(dǎo)通電阻很低,適合開關(guān)。 有源浪涌電流限制電路(P-MOS管) 從MOS管特性描述來看,歐姆模式適合抑制浪涌電流。至于R1、R2、C1的計算,可以用下面的公式: 有源浪涌電流限制電路(P-MOS管) 在相同的R1下,C1越大,MOS管工作在歐姆模式的時間越長,這意味著限制浪涌電流的效果會更好。 無源浪涌電流限制器電路 ·一般的無源方式是在輸入端串聯(lián)一個熱敏電阻,但由于熱敏電阻受環(huán)境溫度影響較大,當(dāng)環(huán)境溫度較高或輸入電源多次快速開閉,將起不到保護作用。下圖給出了可以改善這種現(xiàn)象的電路,使用二極管和電阻并聯(lián),與電容并聯(lián)。不僅可以抑制浪涌電流,而且不容易受溫度變化或者輸入電源快速打開和關(guān)閉多次的影響。工作原理是當(dāng)有輸入電壓時,輸入電壓通過給R1和Cl充電,當(dāng)系統(tǒng)負載需要電源時,Cl通過二極管向負載放電。 無源浪涌電流限制器電路 從圖中可以看出R1與浪涌電流成反比,因此可以通過以下公式計算R1: R1 損失 無源浪涌電流限制器電路 它可以粗略地看成是一個二倍的時間常數(shù) 無源浪涌電流限制器電路 阻力損失可以通過公式(6)得到. 結(jié)論 為了加強DC/DC轉(zhuǎn)換器的抗噪聲能力,常用的方法是在輸入端加電容。但由于電容的特性,會在電源輸入端產(chǎn)生浪涌電流。如果不抑制浪涌電流,輸入電源可能因保護電路而無輸出,并可能損壞輸入電路或保險絲。上面介紹兩種抑制浪涌電流的方法,一種是利用MOSFET的導(dǎo)通特性來抑制浪涌電流。另一種是使用無源元件,通過電阻給電容充電,然后通過二極管放電回系統(tǒng)。有源抑制電路的效果優(yōu)于無源抑制電路,但元件數(shù)量多于無源抑制電路。無源抑制電路的元器件使用最少,但必須考慮電阻的損耗和功率選擇。 |