開關電源的沖擊電流控制方法
1. 引言
開關電源的輸入普通有濾波器來減小電源反應到輸入的紋波，輸入濾波器普通有電容和電感組成∏形濾波器，圖1. 和圖2. 分別為典型的AC/DC電源輸入電路和DC/DC電源輸入電路
由于電容器在瞬態(tài)時能夠看成是短路的，當開關電源上電時，會產生十分大的沖擊電流，沖擊電流的幅度要比穩(wěn)態(tài)工作電流大很多，如對沖擊電流不加以限制，不但會燒壞保險絲，燒毀接插件，還會由于共同輸入阻抗而干擾左近的電器設備。
圖3. 通訊系統(tǒng)的最大沖擊電流限值（AC/DC電源）
圖4. 通訊系統(tǒng)在標稱輸入電壓和最大輸出負載時的沖擊電流限值（DC/DC電源）
歐洲電信規(guī)范協(xié)會(the European Telecommunications Standards Institute)對用于通訊系統(tǒng)的開關電源的沖擊電流大小做了規(guī)則，圖3為通訊系統(tǒng)用AC/DC電源供電時的最大沖擊電流限值[4]，圖4為通訊系統(tǒng)在DC/DC電源供電，標稱輸入電壓和最大輸出負載時的最大沖擊電流限值[5]。圖中It為沖擊電流的瞬態(tài)值，Im為穩(wěn)態(tài)工作電流。
沖擊電流的大小由很多要素決議，如輸入電壓大小，輸入電線阻抗，電源內部輸入電感及等效阻抗，輸入電容等效串連阻抗等。這些參數依據不同的電源系統(tǒng)和規(guī)劃不同而不同，很難停止預算，最準確的辦法是在實踐應用中丈量沖擊電流的大小。在丈量沖擊電流時，不能因引入傳感器而改動沖擊電流的大小，引薦用的傳感器為霍爾傳感器。
2. AC/DC開關電源的沖擊電流限制辦法
2.1 串連電阻法
關于小功率開關電源，能夠用象圖5的串連電阻法。假如電阻選得大，沖擊電流就小，但在電阻上的功耗就大，所以必需選擇折衷的電阻值，使沖擊電流和電阻上的功耗都在允許的范圍之內
圖5. 串連電阻法沖擊電流控制電路（適用于橋式整流和倍壓電路，其沖擊電流相同）
串連在電路上的電阻必需能接受在開機時的高電壓和大電流，大額定電流的電阻在這種應用中比擬合適，常用的為線繞電阻，但在高濕度的環(huán)境下，則不要用線繞電阻。因線繞電阻在高濕度環(huán)境下，瞬態(tài)熱應力和繞線的收縮會降低維護層的作用，會因濕氣入侵而惹起電阻損壞。
圖5所示為沖擊電流限制電阻的通常位置，關于110V、220V雙電壓輸入電路，應該在R1和R2位置放兩個電阻，這樣在110V輸入銜接線銜接時和220V輸入銜接線斷開時的沖擊電流一樣大。關于單輸入電壓電路，應該在R3位置放電阻。
2.2 熱敏電阻法
在小功率開關電源中，負溫度系數熱敏電阻（NTC）常用在圖5中R1，R2，R3位置。在開關電源第一次啟動時，NTC的電阻值很大，可限制沖擊電流，隨著NTC的本身發(fā)熱，其電阻值變小，使其在工作狀態(tài)時的功耗減小。
用熱敏電阻法也由缺陷，當第一次啟動后，熱敏電阻要過一會兒才抵達其工作狀態(tài)電阻值，假如這時的輸入電壓在電源能夠工作的最小值左近，剛啟動時由于熱敏電阻阻值還較大，它的壓降較大，電源就可能工作在打嗝狀態(tài)。另外，當開關電源關掉后，熱敏電阻需求一段冷卻時間來將阻值升高到常溫態(tài)以備下一次啟動，冷卻時間依據器件、裝置方式、環(huán)境溫度的不同而不同，普通為1分鐘。假如開關電源關掉后馬上開啟，熱敏電阻還沒有變冷，這時對沖擊電流失去限制造用，這就是在運用這種辦法控制沖擊電流的電源不允許在關掉后馬上開啟的緣由。
2.3 有源沖擊電流限制法
關于大功率開關電源，沖擊電流限制器件在正常工作時應該短路，這樣能夠減小沖擊電流限制器件的功耗
圖6. 有源沖擊電流限制電路 （橋式整流時的沖擊電流大）
在圖6中，選擇R1作為啟動電阻，在啟動后用可控硅將R1旁路，因在這種沖擊電流限制電路中的電阻R1能夠選得很大，通常不需求改動110V輸入倍壓和220V輸入時的電阻值。在圖6中所畫為雙向可控硅，也能夠用晶閘管或繼電器將其替代。
圖6所示電路在剛啟動時，沖擊電流被電阻R1限制，當輸入電容充溢電后，有源旁路電路開端工作將電阻R1旁路，這樣在穩(wěn)態(tài)工作時的損耗會變得很小。
在這種可控硅啟動電路中，很容易經過開關電源主變壓器上的一個線圈來給可控硅供電。由開關電源的緩啟動來提供可控硅的延遲啟動，這樣在電源啟動前就能夠經過電阻R1將輸入電容充溢電。
3. DC/DC開關電源的沖擊電流限制辦法
3.1 長短針法
圖7所示電路為長短針法沖擊電流限制電路，在DC/DC電源板插入時，長針接觸，輸入電容C1經過電阻R1充電，當電源板完整插入時，電阻R1被斷針短路。C1代表DC/DC電源的一切電容量
圖7. 長短針法沖擊電流限制電路
這種辦法的缺陷是插入的速度不能控制，如插入速渡過快，電容C1還沒充溢電時，短針就曾經接觸，沖擊電流的限制效果就不好。
也可用熱敏電阻法來限制沖擊電流，但由于DC/DC電源的輸入電壓較低，輸入電流較大，在熱敏電阻上的功耗也較大，普通不用此辦法。
3.2 有源沖擊電流限制法
3.2.1 應用MOS管限制沖擊電流
應用MOS管控制沖擊電流能夠克制無源限制法的缺陷。MOS管有導通阻抗Rds_on低和驅動簡單的特性，在四周加上少量元器件就能夠做成沖擊電流限制電路。
MOS管是電壓控制器件，其極間電容等效電路如圖8所示。
圖8. 帶外接電容C2的N型MOS管極間電容等效電路
MOS管的極間電容柵漏電容Cgd、柵源電容Cgs、漏源電容Cds能夠由以下公式肯定：
公式中MOS管的反應電容Crss,輸入電容Ciss和輸出電容Coss的數值在MOS管的手冊上能夠查到。
電容充放電快慢決議MOS管開通和關斷的快慢，為確保MOS管狀態(tài)間轉換是線性的和可預知的，外接電容C2并聯(lián)在Cgd上，假如外接電容C2比MOS管內部柵漏電容Cgd大很多，就會減小MOS管內部非線性柵漏電容Cgd在狀態(tài)間轉換時的作用。
外接電容C2被用來作為積分器對MOS管的開關特性停止準確控制。控制了漏極電壓線性度就能準確控制沖擊電流。
電路描繪：
圖9所示為基于MOS管的自啟動有源沖擊電流限制法電路。MOS管 Q1放在DC/DC電源模塊的負電壓輸入端，在上電霎時，DC/DC電源模塊的第1腳電平和第4腳一樣，然后控制電路按一定的速率將它降到負電壓，電壓降落的速度由時間常數C2*R2決議，這個斜率決議了最大沖擊電流。
C2能夠按以下公式選定：
R2由允許沖擊電流決議：
其中Vmax為最大輸入電壓，Cload為C3和DC/DC電源模塊內部電容的總和，Iinrush為允許沖擊電流的幅度。
圖9. 有源沖擊電流限制法電路
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D1用來限制MOS管 Q1的柵源電壓。元器件R1，C1和D2用來保證MOS管Q1在剛上電時堅持關斷狀態(tài)。
上電后，MOS管的柵極電壓要漸漸上升，當柵源電壓Vgs高到一定水平后，二極管D2導通，這樣一切的電荷都給電容C1以時間常數R1×C1充電，柵源電壓Vgs以相同的速度上升，直到MOS管Q1導通產生沖擊電流。
以下是計算C1和R1的公式：
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其中Vth為MOS管Q1的最小門檻電壓，VD2為二極管D2的正導游通壓降，Vplt為產生Iinrush沖擊電流時的柵源電壓。Vplt能夠在MOS管供給商所提供的產品材料里找到。
MOS管選擇
以下參數關于有源沖擊電流限制電路的MOS管選擇十分重要：
l 漏極擊穿電壓 Vds
必需選擇Vds比最大輸入電壓Vmax和最大輸入瞬態(tài)電壓還要高的MOS管，關于通訊系統(tǒng)中用的MOS管，普通選擇Vds≥100V。
l 柵源電壓Vgs
穩(wěn)壓管D1是用來維護MOS管Q1的柵極以避免其過壓擊穿，顯然MOS管Q1的柵源電壓Vgs必需高于穩(wěn)壓管D1的最大反向擊穿電壓。普通MOS管的柵源電壓Vgs為20V，引薦12V的穩(wěn)壓二極管。
l 導通電阻Rds_on.
MOS管必需可以耗散導通電阻Rds_on所惹起的熱量，熱耗計算公式為：
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其中Idc為DC/DC電源的最大輸入電流，Idc由以下公式肯定：
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其中Pout為DC/DC電源的最大輸出功率，Vmin為最小輸入電壓，η為DC/DC電源在輸入電壓為Vmin輸出功率為Pout時的效率。η能夠在DC/DC電源供給商所提供的數據手冊里查到。MOS管的Rds_on必需很小，它所惹起的壓降和輸入電壓相比才能夠疏忽。
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