利用“软启动电路”消除开关电源浪涌电流

0 引言

在各种过去和现在常用的电源中，开关电源是很普及的，一般可以满足任何设计要求。这种电源很经济，但在设计中也存在一些问题。这就是很多开关电源(特别是大功率开关电源)，都存在一个固有的缺点：在加电瞬间要汲取一个较大的电流。这个浪涌电流可能达到电源静态工作电流的1O倍～100倍。由此，至少有可能产生两个方面的问题。第一，如果直流电源不能供给足够的启动电流，开关电源可能进入一种锁定状态而无法启动；第二，这种浪涌电流可能造成输入电源电压的降低，足以引起使用同一输入电源的其它动力设备瞬间掉电。

传统的输入浪涌电流限制方法是串联负温度系数热敏限流电阻器(NTC)，然而这种简单的方法具有很多缺点：如NTC电阻器的限流效果受环境温度影响较大、限流效果在短暂的输入主电网中断(约几百毫秒数量级)时只能部分地达到、NTC电阻器的功率损耗降低了开关电源的转换效率……。其实上面提出的这两个问题可以通过一个“软启动电路”来解决，下面详细介绍之。

1 开关电源浪涌电流产生的原因

在论述“软启动电路”以前，我们首先讨论浪涌电流是如何产生的。现代的驱动系统、逆变器和开关电源等一般通过脉冲调制技术(PWM)来转换电能，其中的核心部件是直流／直流转换器。如图1所示的开关电源中，输入电压首先经过干扰滤波，再通过桥式整流器变成直流，然后通过一个很大的电解电容器进行波形平滑，之后才能进入真正的直流／直流转换器。输入浪涌电流就是在对这个电解电容器进行初始充电时产生的，它的大小取决于起动上电时输入电压的幅值以及由桥式整流器和电解电容器所形成回路的总电阻。如果恰好在交流输入电压的峰值点起动时，就会出现峰值输入浪涌电流。


另外，变压器电源起动时也会出现输入浪涌电流。然而，这种输入浪涌电流的出现原因有所不同。当变压器电源在正弦输入电压的过零点起动时，变压器磁芯的磁化在前几个周期中被迫进入一种不平衡状态。结果，磁芯在每个半周饱和。此时的励磁电流只能由微弱的漏电感寄生电阻来限制，导致出现很大的输入浪涌电流。变压器电源通常带有特殊的输入浪涌电流限制器来保证其在正弦输入电压的峰值起动，以防止出现很高的输入浪涌电流。而如果在开关电源中也使用这种输入浪涌电流限制器，则如前文所述，后果恰恰相反，不但起不到限流作用，反而会导致出现峰值输入浪涌电流。故我们今天只讨论开关电源浪涌电流的产生和消除，变压器电源不在论述范围。

2 软启动电路电气工作原理

如果采用我们今天设计的“软启动电路”来消除开关电源启动时的浪涌电流，可以很好地避免上述传统浪涌电流限制方法的缺点。通过“软启动”来控制开关电源的启动以消除浪涌电流，包含这样两条设计原则：即在加电瞬间除去负载、同时限制有用的电流。如果不驱动负载，开关电源启动时一般电流很小。在很多情况下，启动电流实际有可能要比利用这种方法保持的稳态工作电流小。

下面采用一个从－48 V～+5 V的开关电源路论述“软启动”技术。所用的开关电源是一个含有LT1172HVCT的稳压器，从负到正补偿提升式(buck－boost)转换器，其实任何一个从－48 V～+5 V的开关电源都能工作。其中，软启动电路和开关电源电路是相互独立的，电气原理如图2所示。


电路的工作原理很简单。在开始加电时，全部晶体管都是截止的，C1处于放电状态，这时负载是断开的，输入电流由限流电阻R4分流。当开关电源启动时，它的输出电压开始升高，在输出电压达到4．5 V的时候(D1两端3．9 V加上Q3的Veb=0．6 V)，Q3导通并对C1充电。当C1两端的电压VC达到Q1的门限电压时(通常为3 V)，Q1导通。VC继续升高，Q1完全导通，对输入电流提供一个低阻抗通路，并且有效地旁路了限流电阻R4。当VC达到7．4 V时(D2两端6．8 V加上Q4的Vbe=0．6V)，Q4导通，同时对Q2提供偏压，也是Q2导通。这样就使负载通过一个低阻抗与电源连接。至此，电源已被安全启动，软启动电路也已完成其功用。利用下列公式可以计算出Q1和Q2的导通时间：


在VC等于3 V的时候Q1导通，也就是说在电源的输出达到4．5 V以后，大约150 ms时导通；在VC等于7．4 V时Q2导通，即在Q1导通后的330 ms时导通。这样长的时间，足以保证电源需要的稳定时间和使Q1与Q2缓慢地导通。因为要把启动电流保持在一个最小值，所以FET(场效应管)的缓慢导通是至关重要的。若FET转换太快，有可能产生一个大的浪涌电流，失去软启动电路的效用。

3 注意事项

(1)软启动电路的增加是有代价的。从整体来讲，这种电路可看作是电源的一部分，它要消耗功率，使电源的效率降低。大部分功率损失是由于输出传递场效应管Q2的导通电阻不为零所造成的。这种IRFD9210的导通电阻为0．6 Ω。在500 mA输出电流时，Q2将消耗300 mW功率。如果不允许这样大的损耗时，可以采用导通电阻更小的FET(但往往价格很高)。


(2)因为开关电源电压的感测是取自场效应管Q2的输入端，所以这种穿过Q2的电阻也影响负载电压的稳定。只要负载电流是相对恒定的，这个问题并不严重。如果输出电压的变化较大，可以选用导通电阻低的FET来改善，也可以在软启动电路工作完成以后，在Q2的输出端加一个电压感测电路来改善。

4 结论

以上详细论述了“软启动电路”是如何消除开关电源浪涌电流的，经过multisim软件仿真、最后实验室实践证明该软启动电路的控制能力很强。近期我们与 “北京纽波尔电源技术有限公司”联合设计了一款“SF-DC75～100 W模块电源”，该款电源部分利用了上述的设计原理，通过市场验证该电路确实能很好地消除较大功率开关电源启动时的浪涌电流，并且大大改善了模块电源的输出特性，故可以预测该电路具有不错的市场推广价值。实际上，以上论述我们虽然都限定用在“-48 V～+5 V”的开关电源中，但也可以把它改制成适合于各种开关电源所用的电路中。

编辑：博子