干貨分享丨電源應用電路之沖擊電流抑制
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2024-09-10
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引言
開關電源的應用時，輸入端的主電網可能會提供短時的電流脈沖，這種電流脈沖通常被稱為“輸入沖擊電流”。輸入沖擊電流會給主電網中斷路器或熔斷器的應用造成一定困擾：斷路器一方面要保證在過載時熔斷，起到保護作用；另一方面又必須在輸入沖擊電流出現時不能熔斷，避免誤動作。輸入沖擊電流也會產生輸入電壓波形震蕩，使電網的供電質量變差，進而影響其它用電設備的工作。為確保開關電源的供電穩定和用電安全，電源的應用電路設計就會尤為重要。
一、沖擊電流的產生由來
在開關電源中，輸入電壓首先經過前級濾波，再通過橋式整流器變成直流，然后通過一個很大的電解電容器進行波形平滑，之后才能進入真正的直流/直流轉換器。輸入沖擊電流就是在對這個電解電容器進行初始充電時產生的，它的大小取決于起動上電時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起動時，就會出現峰值輸入沖擊電流。
二、抑制輸入沖擊電流的五大方案
（一）方案一：輸入端串聯負溫度系數熱敏電阻（NTC）
串聯負溫度系數熱敏電阻NTC是目前為止最為簡單常用的抑制輸入沖擊沖擊電流的方法之一。因為NTC電阻值會隨溫度升高而降低。在開關電源啟動時，NTC處于常溫，有很高的阻值，可以有效地限制電流；而在電源啟動后，NTC會由于自身散熱原因而迅速升溫，電阻值則減少到室溫時的約十五分之一，從而減少了開關電源正常工作時的功率損耗。
方案優點：電路簡單實用、成本低。
方案缺點：
① NTC的限流效果受環境溫度影響較大：如果在低溫（零下）啟動時，電阻過大，充電電流過小，開關電源可能啟機異常；如果在高溫啟動，電阻的阻值過小，則可能達不到限制輸入沖擊沖擊電流的效果。
② 限流效果在短暫的輸入主電網中斷（約幾百毫秒數量級）時只能部分地達到。在這個短暫的中斷期間，電解電容器已被放電，而NTC的溫度仍很高，阻值很小，在需要電源馬上重新啟動時，NTC無法有效地實現限流作用。
③ NTC的功率損耗降低了開關電源的轉換效率。
（二）方案二：功率電阻限制沖擊電流
在應用微小功率的開關電源時，直接使用功率電阻限制沖擊電流。
方案優點：電路簡單、成本低、對沖擊電流的的限制方面幾乎不受高低溫的影響
方案缺點：
① 只適合微小功率開關電源；
② 對效率影響很大。
（三）方案三：NTC熱敏電阻與普通功率電阻并聯
常溫啟機時，功率電阻與熱敏電阻并聯后的阻值來限制沖擊電流，在低溫起機時NTC熱敏電阻的阻值急劇升高但功率電阻阻值基本是不變的能保證低溫啟動，不過在高溫實驗時沖擊電路也很大。
方案優點：簡單實用、對于常溫和低溫起機時效果不錯
方案缺點：
① 效率影響較大；
② 高溫沖擊電流大。
（四）方案四：串聯固定電阻器配合晶閘管
上電時，Vs截止，電流經過R1，R1起到限流作用，達到一定條件，VS導通，將R1短路。使效率損失大大降低。
方案優點：
①功耗低；
②對沖擊電流的的限制方面幾乎不受高低溫的影響。
方案缺點：
①體積大；
②成本高。
（五）方案五：利用MOS管和延時網絡電路
電路工作的基本原理是：由于DC-DC開關電源的輸入端接有容性濾波電路，當開機加電瞬間由于需要為濾波電容C1、C2充電，所以瞬間產生較大的沖擊電流，此時在母線輸入地線上接入的MOSFET（VT1）的漏原極之間并未導通，隨著R2、R3、DZ1及C3組成的延時電路給MOSFET（VT1）的柵極加電，使MOSFET（VT1）的漏源極逐漸導通，從而有效減小了開機瞬間由輸入端的容性濾波電路充電而產生的沖擊電流值。當電路進入穩定工作狀態下，其漏源極始終處于導通狀態。
由于實際開關電源產品設計中對于沖擊電流的抑制情況不同，可通過調節C3的具體參數，從而獲得不同沖擊電流抑制的結果。
方案優點：
① 功耗低；
② 常溫、低溫、高溫對沖擊電流的限制效果都特別好。
方案缺點：
① 體積大；
② 成本高。
三、小結
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