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DC/DC電源模塊沖擊電流的限制方法

2020-06-09

開關電源的輸入一般有濾波器來減小電源反饋到輸入的紋波,輸入濾波器一般有電容和電感組成π形濾波器,輸入分別有AC/DC電源模塊輸入電路和DC/DC電源模塊輸入電路倆種。

 

由于電容器在瞬態時可以看成是短路的,當開關電源上電時,會產生非常大的沖擊電流。沖擊電流的幅度要比穩態工作電流大很多,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附近的電器設備。下面談下倆種限制DC/DC電源模塊沖擊電流的方法。

 

1、長短針法

 

長短針法沖擊電流限制電路如上圖所示:DC/DC電源板插入時,長針接觸,輸入電容C1通過電阻R1充電,當電源板完全插入時,電阻R1被斷針短路。C1代表DC/DC電源的所有電容量。

 

方法缺陷是插入的速度不能控制,如插入速度過快,電容C1還沒充滿電時,短針就已經接觸,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,一般不用這種方法。

 

2有源沖擊電流限制法

利用MOS管控制沖擊電流可以克服無源限制法的缺陷。MOS管有導通阻抗Rds_on低和驅動簡單的特點,在周圍加上少量元器件就可以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下圖所示:

 

帶外接電容C2NMOS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可以由公式確定公式中MOS管的反饋電容Crss輸入電容Ciss和輸出電容Coss的數值在MOS管的產品技術手冊上可以查到。公式如下:

 

電容充放電快慢決定MOS管開通和關斷的快慢,為確保MOS管狀態間轉換是線性的和可預知的,外接電容C2并聯在Cgd上,如果外接電容C2MOS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管的開關特性進行精確控制,控制了漏極電壓線性度就能精確控制沖擊電流。

 

如上圖所示:基于MOS管的自啟動有源沖擊電流限制法電路。MOSQ1放在DC/DC電源模塊的負電壓輸入端,在上電瞬間,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,電壓下降的速度由時間常數C2*R2決定,這個斜率決定了最大沖擊電流。

 

D1用來限制MOSQ1的柵源電壓元器件R1,C1D2用來保證MOSQ1在剛上電時保持關斷狀態。上電后,MOS管的柵極電壓要慢慢上升,當柵源電壓Vgs高到一定程度后,二極管D2導通,這樣所有的電荷都給電容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MOSQ1導通產生沖擊電流。其中VthMOSQ1的最小門檻電壓,VD2為二極管D2的正向導通壓降,Vplt為產生Iinrush沖擊電流時的柵源電壓。Vplt可以在MOS廠商所提供的產品資料里找到。

 

漏極擊穿電壓Vds必須選擇Vds比最大輸入電壓Vmax和最大輸入瞬態電壓還要高的MOS管,對于通訊系統中用的MOS管,一般選擇Vds100V穩壓管D1是用來保護MOSQ1的柵極以防止其過壓擊穿,顯然MOSQ1的柵源電壓Vgs必須高于穩壓管D1的最大反向擊穿電壓。一般MOS管的柵源電壓Vgs20V推薦12V的穩壓二極管。

 

其中PoutDC/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可以在DC/DC電源商所提供的數據手冊里查到。MOS管的Rds_on必須很小,它所引起的壓降和輸入電壓相比才可以忽略。

 

該方法優點為功耗低,常溫、低溫、高溫對浪涌電流的限制效果都特別好。缺點為體積大、成本高。