【導(dǎo)讀】我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫母鞣N家用電器，以及乘坐的汽車和火車等交通工具都是電源的廣泛應(yīng)用，而且電源設(shè)備在軍工及航空航天等特殊行業(yè)中也有著極其廣泛的應(yīng)用。
一、摘要
我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫母鞣N家用電器，以及乘坐的汽車和火車等交通工具都是電源的廣泛應(yīng)用，而且電源設(shè)備在軍工及航空航天等特殊行業(yè)中也有著極其廣泛的應(yīng)用。
為保證電源設(shè)備穩(wěn)定工作不被干擾，需要在電源設(shè)備的輸入端并聯(lián)電容。同時(shí)為實(shí)現(xiàn)電源設(shè)備的輸入過載保護(hù)，還會(huì)在電源設(shè)備的輸入端串聯(lián)保險(xiǎn)絲或斷路器等。由于輸入電容的存在，電源設(shè)備在啟動(dòng)過程中將會(huì)產(chǎn)生較大的輸入沖擊電流，可能會(huì)導(dǎo)致保險(xiǎn)絲熔斷或斷路器跳閘等問題。本文將從電源設(shè)備輸入沖擊電流抑制方案的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，給出可靠的解決方案。
二、輸入沖擊電流的產(chǎn)生原因
輸入沖擊電流產(chǎn)生路徑如圖1所示。
供電系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，輸入電壓Vin快速升高，輸入電壓Vin通過輸入等效阻抗Rin對(duì)輸入等效大電容Cin進(jìn)行充電。輸入回路沒有使用輸入沖擊電路抑制電路時(shí)，由于輸入等效阻抗Rin主要為PCB走線阻抗、EMC電路中共模/差模電感阻抗和端口連接阻抗等，輸入等效阻抗Rin相對(duì)較?。ㄏ鄬?duì)于輸入沖擊電路抑制電路的阻抗可忽略不計(jì)），將導(dǎo)致較大的輸入沖擊電流。
在110VDC輸入，輸入等效大電容Cin為100uF，未加電流抑制電路時(shí)，輸入沖擊電流典型波形如圖2所示，輸入沖擊電流達(dá)到170A。
三、輸入沖擊電流抑制電路應(yīng)用系統(tǒng)框圖
輸入沖擊電流抑制電路應(yīng)用系統(tǒng)框圖如圖3所示。
輸入沖擊電流過大將會(huì)導(dǎo)致輸入端保險(xiǎn)絲熔斷或斷路器跳閘等問題，對(duì)于高可靠性要求的行業(yè)應(yīng)用，進(jìn)行輸入沖擊電流抑制必不可少。
四、電路方案對(duì)比
為了有效抑制輸入沖擊電流，行業(yè)內(nèi)常采用的方案有以下幾種：
方案1：將電阻器串聯(lián)在電源設(shè)備的輸入回路中，進(jìn)行輸入沖擊電流抑制，輸入回路串聯(lián)電阻器R1后的方案示意圖如圖4所示。
供電系統(tǒng)開始供電時(shí)，輸入等效大電容Cin電壓較小，輸入沖擊電流最大為，為有效抑制輸入沖擊電流，串聯(lián)電阻器R1需要較大的阻值，電源設(shè)備穩(wěn)定工作時(shí)，將有持續(xù)的電流流過電阻器R1，電阻器R1存在發(fā)熱嚴(yán)重和影響產(chǎn)品效率的缺點(diǎn)。
以輸入電壓Vin=110VDC，輸出功率Po=100W，產(chǎn)品效率?=93%，需求輸入沖擊電流Iin≤10A為例，可計(jì)算出電阻器R1取值為，穩(wěn)態(tài)工作時(shí)電阻器R1的輸入電流，電阻器R1的損耗?？紤]到電阻器的尺寸和溫升等，一般需要電阻器R1的損耗小于1W，即對(duì)于輸出功率小于30W的小功率電源設(shè)備可考慮使用此方案，對(duì)于較大功率的電源設(shè)備需要采用更優(yōu)的方案設(shè)計(jì)。
方案2：將負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻串聯(lián)在電源部分的輸入回路中，進(jìn)行輸入沖擊電流抑制，輸入回路串聯(lián)熱敏電阻RT后的方案示意圖如圖5所示。
為解決方案1固定電阻穩(wěn)態(tài)發(fā)熱嚴(yán)重和影響產(chǎn)品效率的問題，行業(yè)常用以上熱敏電阻方案。電源設(shè)備剛啟動(dòng)時(shí)，熱敏電阻還未發(fā)熱，阻值較大，可進(jìn)行輸入沖擊電流抑制，穩(wěn)態(tài)工作后熱敏阻值降低，發(fā)熱量較小和對(duì)產(chǎn)品效率影響較小。
該方案具有熱敏電阻發(fā)熱量較小和對(duì)產(chǎn)品效率影響較小的優(yōu)點(diǎn)，但是由于負(fù)溫度熱敏電阻特性為阻值隨溫度的降低而降低和阻值恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，因此該方案存在的缺點(diǎn)有：
（1）高溫環(huán)境工作啟動(dòng)時(shí)，熱敏電阻阻值小，不能很好的抑制輸入沖擊電流；
（2）低溫環(huán)境工作啟動(dòng)時(shí)，熱敏電阻阻值大，可能會(huì)導(dǎo)致電源設(shè)備啟動(dòng)不良；
（3）電源設(shè)備開關(guān)機(jī)間隔時(shí)間較短情況下啟動(dòng)時(shí)，熱敏電阻穩(wěn)態(tài)工作阻值減小后還未恢復(fù)到較大的阻值，不能很好的抑制輸入沖擊電流。
方案3：將電阻器與電子開關(guān)并聯(lián)后再串聯(lián)在電源設(shè)備的輸入回路中，并采用自動(dòng)控制電路控制該電子開關(guān)是否與電源設(shè)備的輸入回路接通，進(jìn)行輸入沖擊電流的抑制。
輸入回路串聯(lián)電阻器、電子開關(guān)和控制電路后的方案示意圖如圖6所示。
為解決方案1和方案2的缺點(diǎn)，可采用以上方案3，該方案啟動(dòng)時(shí)，電子開關(guān)S1斷開，電阻器R1進(jìn)行輸入沖擊電流抑制，穩(wěn)態(tài)工作時(shí)電子開關(guān)S1閉合，該方案的優(yōu)點(diǎn)為：
（1）可有效抑制輸入沖擊電流，同時(shí)由于電阻器R1、電子開關(guān)S1和控制電路受溫度影響較小，輸入沖擊電流抑制效果受溫度的影響也較小；
（2）電阻器和電子開關(guān)損耗低、發(fā)熱量小，對(duì)電源設(shè)備正常工作時(shí)的效率的影響較小；
（3）控制電路恢復(fù)時(shí)間快，電源設(shè)備開關(guān)機(jī)間隔時(shí)間較短時(shí)也能夠有效抑制輸入沖擊電流。
方案4：將電子開關(guān)串聯(lián)在電源設(shè)備的輸入回路中，并采用自動(dòng)控制電路控制電子開關(guān)的阻抗進(jìn)行輸入沖擊電流的恒流控制，輸入回路串聯(lián)電子開關(guān)和控制電路后的方案示意圖如圖7所示。
為解決方案1和方案2的缺點(diǎn)，還可采用以上方案4，該方案除具有方案3的優(yōu)點(diǎn)外，還具有的優(yōu)點(diǎn)為：
（1）不使用電阻器R1，可降低系統(tǒng)設(shè)備的尺寸和成本。
（2）電子開關(guān)的阻抗采用恒流控制，受輸入電壓變壓的影響較小。
綜上，對(duì)于性能和可靠性等要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合，可選擇方案3或4進(jìn)行設(shè)計(jì)。
五、電源設(shè)備可靠性設(shè)計(jì)
電源設(shè)備的設(shè)計(jì)要求高可靠性，在環(huán)境的影響（如冷卻、干熱、交變濕熱、振動(dòng)、沖擊等）、電磁兼容的影響（傳導(dǎo)騷擾抗擾度、輻射干擾抗擾度、電快速瞬變脈沖群、電源過電壓、浪涌、靜電放電等）和其它影響條件下，電路特性和壽命設(shè)計(jì)等都有應(yīng)用規(guī)格要求。
電源設(shè)備的可靠性主要從以下三個(gè)方面進(jìn)行考慮：
1、設(shè)計(jì)可靠性：電路方案選型、降額設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、安規(guī)設(shè)計(jì)、EMC設(shè)計(jì)和PCB設(shè)計(jì)等進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)；
2、原材料可靠性：失效率、MTBF、使用壽命等可靠性指標(biāo)進(jìn)行物料選型；
3、制造可靠性：可制造性、生產(chǎn)環(huán)境、生產(chǎn)人員等保障制造可靠性。
六、電源設(shè)備應(yīng)用方案
以金升陽電源模塊應(yīng)用于鐵路系統(tǒng)電力牽引控制單元為例，如圖8所示。
采用鐵路110VDC供電系統(tǒng)，經(jīng)過輸入沖擊電流抑制電路、保護(hù)電路和EMC電路等為DC/DC電源模塊供電，DC/DC電源電源模塊將電壓轉(zhuǎn)換為3種不同的輸出電壓，輸出電壓再經(jīng)過輸出EMI電路為不同需求的負(fù)載進(jìn)行供電。
板卡電源集成輸入沖擊電流抑制電路、EMC電路、保護(hù)電路（防反接、過欠壓、過流、短路等），該板卡電源輸出沖擊電流可抑制到10A以內(nèi)、功能齊全、滿足鐵標(biāo)EN50155認(rèn)證要求等，可滿足系統(tǒng)應(yīng)用需求，金升陽板卡電源如圖9所示。
該板卡電源使用輸入沖擊抑制電路后的輸入沖擊電流波形如圖10所示。
七、小結(jié)
電源設(shè)備在各行各業(yè)的廣泛應(yīng)用，對(duì)于高可靠性的電源設(shè)備離不開輸入沖擊電流抑制這個(gè)電路方案設(shè)計(jì)，我司可為客戶提供配套的解決方案，針對(duì)鐵路等行業(yè)應(yīng)用還可提供系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的板卡電源，更好的滿足客戶應(yīng)用需求，簡(jiǎn)化客戶的產(chǎn)品開發(fā)和測(cè)試周期，綜合提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性和可靠性。
來源：金升陽
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