利用“軟啟動電路”消除開關電源浪涌電流

引言

在各種過去和現在常用的電源中，開關電源是很普及的，一般可以滿足任何設計要求。這種電源很經濟，但在設計中也存在一些問題。這就是很多開關電源(特別是大功率開關電源)，都存在一個固有的缺點：在加電瞬間要汲取一個較大的電流。這個浪涌電流可能達到電源靜態工作電流的1O倍～100倍。由此，至少有可能產生兩個方面的問題。第一，如果直流電源不能供給足夠的啟動電流，開關電源可能進入一種鎖定狀態而無法啟動；第二，這種浪涌電流可能造成輸入電源電壓的降低，足以引起使用同一輸入電源的其它動力設備瞬間掉電。

傳統的輸入浪涌電流限制方法是串聯負溫度系數熱敏限流電阻器(NTC)，然而這種簡單的方法具有很多缺點：如NTC電阻器的限流效果受環境溫度影響較大、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、NTC電阻器的功率損耗降低了開關電源的轉換效率……。其實上面提出的這兩個問題可以通過一個“軟啟動電路”來解決，下面詳細介紹之。

1 開關電源浪涌電流產生的原因

在論述“軟啟動電路”以前，我們首先討論浪涌電流是如何產生的。現代的驅動系統、逆變器和開關電源等一般通過脈沖調制技術(PWM)來轉換電能，其中的核心部件是直流／直流轉換器。如圖1所示的開關電源中，輸入電壓首先經過干擾濾波，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。輸入浪涌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，就會出現峰值輸入浪涌電流。

另外，變壓器電源起動時也會出現輸入浪涌電流。然而，這種輸入浪涌電流的出現原因有所不同。當變壓器電源在正弦輸入電壓的過零點起動時，變壓器磁芯的磁化在前幾個周期中被迫進入一種不平衡狀態。結果，磁芯在每個半周飽和。此時的勵磁電流只能由微弱的漏電感寄生電阻來限制，導致出現很大的輸入浪涌電流。變壓器電源通常帶有特殊的輸入浪涌電流限制器來保證其在正弦輸入電壓的峰值起動，以防止出現很高的輸入浪涌電流。而如果在開關電源中也使用這種輸入浪涌電流限制器，則如前文所述，后果恰恰相反，不但起不到限流作用，反而會導致出現峰值輸入浪涌電流。故我們今天只討論開關電源浪涌電流的產生和消除，變壓器電源不在論述范圍。

2 軟啟動電路電氣工作原理

如果采用我們今天設計的“軟啟動電路”來消除開關電源啟動時的浪涌電流，可以很好地避免上述傳統浪涌電流限制方法的缺點。通過“軟啟動”來控制開關電源的啟動以消除浪涌電流，包含這樣兩條設計原則：即在加電瞬間除去負載、同時限制有用的電流。如果不驅動負載，開關電源啟動時一般電流很小。在很多情況下，啟動電流實際有可能要比利用這種方法保持的穩態工作電流小。

下面采用一個從－48 V～+5 V的開關電源路論述“軟啟動”技術。所用的開關電源是一個含有LT1172HVCT的穩壓器，從負到正補償提升式(buck－boost)轉換器，其實任何一個從－48 V～+5 V的開關電源都能工作。其中，軟啟動電路和開關電源電路是相互獨立的，電氣原理如圖2所示。

電路的工作原理很簡單。在開始加電時，全部晶體管都是截止的，C1處于放電狀態，這時負載是斷開的，輸入電流由限流電阻R4分流。當開關電源啟動時，它的輸出電壓開始升高，在輸出電壓達到4．5 V的時候(D1兩端3．9 V加上Q3的Veb=0．6 V)，Q3導通并對C1充電。當C1兩端的電壓VC達到Q1的門限電壓時(通常為3 V)，Q1導通。VC繼續升高，Q1完全導通，對輸入電流提供一個低阻抗通路，并且有效地旁路了限流電阻R4。當VC達到7．4 V時(D2兩端6．8 V加上Q4的Vbe=0．6V)，Q4導通，同時對Q2提供偏壓，也是Q2導通。這樣就使負載通過一個低阻抗與電源連接。至此，電源已被安全啟動，軟啟動電路也已完成其功用。利用下列公式可以計算出Q1和Q2的導通時間：

在VC等于3 V的時候Q1導通，也就是說在電源的輸出達到4．5 V以后，大約150 ms時導通；在VC等于7．4 V時Q2導通，即在Q1導通后的330 ms時導通。這樣長的時間，足以保證電源需要的穩定時間和使Q1與Q2緩慢地導通。因為要把啟動電流保持在一個最小值，所以FET(場效應管)的緩慢導通是至關重要的。若FET轉換太快，有可能產生一個大的浪涌電流，失去軟啟動電路的效用。

3 注意事項

(1)軟啟動電路的增加是有代價的。從整體來講，這種電路可看作是電源的一部分，它要消耗功率，使電源的效率降低。大部分功率損失是由于輸出傳遞場效應管Q2的導通電阻不為零所造成的。這種IRFD9210的導通電阻為0．6 Ω。在500 mA輸出電流時，Q2將消耗300 mW功率。如果不允許這樣大的損耗時，可以采用導通電阻更小的FET(但往往價格很高)。

(2)因為開關電源電壓的感測是取自場效應管Q2的輸入端，所以這種穿過Q2的電阻也影響負載電壓的穩定。只要負載電流是相對恒定的，這個問題并不嚴重。如果輸出電壓的變化較大，可以選用導通電阻低的FET來改善，也可以在軟啟動電路工作完成以后，在Q2的輸出端加一個電壓感測電路來改善。

4 結論

以上詳細論述了“軟啟動電路”是如何消除開關電源浪涌電流的，經過multisim軟件仿真、最后實驗室實踐證明該軟啟動電路的控制能力很強。近期我們與 “北京紐波爾電源技術有限公司”聯合設計了一款“SF-DC75～100 W模塊電源”，該款電源部分利用了上述的設計原理，通過市場驗證該電路確實能很好地消除較大功率開關電源啟動時的浪涌電流，并且大大改善了模塊電源的輸出特性，故可以預測該電路具有不錯的市場推廣價值。實際上，以上論述我們雖然都限定用在“-48 V～+5 V”的開關電源中，但也可以把它改制成適合于各種開關電源所用的電路中。

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