淺析開關輸入浪涌抑制及優化設計

魏煥然 張梓威

摘? ?要：在設備開關機的過程中可能會由于負載躍遷而出現電壓浪涌的現象，針對這一問題提出了一種用于DC-DC變換器的帶過流保護功能的浪涌控制開關電路。通過研究實踐該電路在一定程度上可以抑制上電時出現的浪涌電壓，而且還具有對輸入過欠電壓和過流的保護作用。為了更加靈活地選擇開關，本文設計了兩種通過控制主回路的通斷實現導通以及關閉電路的方案。本文先是闡述了浪涌抑制電路的原理，分析開關選擇電路設計，為相關開關輸入浪涌抑制以及優化設計提供借鑒和參考。

關鍵詞：開關輸入? 浪涌抑制? 優化設計

隨著我國計算機技術以及通信技術的進步，電源技術隨之而得到了普及應用和發展。尤其是在工業自動化領域廣泛應用的形勢下，電源技術的各項功能和技術指標逐漸趨近于完善，可以發揮較大的作用。但是在整機設備開關時仍然會出現一些問題，比如電路電壓瞬變或者開關輸入浪涌現象等，很容易引發整機故障。針對這一現象，一般會采用吸收器或者是無電源保護電路來抑制電壓浪涌。基于此本文結合研究所實際工作經驗展開分析和研究。

1? 浪涌抑制電路的原理

1.1 常規抑制電路原理

由于在設備整機開關閉合或者導通的過程中，開關輸入浪涌的電壓持續時間和能量都相對比較有限，因此在抑制電路浪涌時可以通過吸收器件來實現，比如常規使用的吸收器件有瞬態抑制二極管、壓敏電阻或者電解電容等，這些吸收器具都具有非常顯著的浪涌抑制效果。其中瞬態抑制二極管的工作原理是利用允許的反向電流，能夠在工作狀態下吸收大電流并起到箝拉電壓的作用。然而在相關工業自動化設備整機正常的運行狀態下，瞬態抑制二級管并不會進行相應工作，在設備的電路中相當于開路。而一旦在電路中出現了較大的瞬間高壓脈沖，其就會將高壓脈沖擊穿電壓，在一定程度上可以起到保護后級電路的功能。直到高壓脈沖過去之后，瞬態二極管則再次恢復開路狀態，所以其只會在出現高壓脈沖時才會發揮保護后級電路的作用。在實際的設備運行中并不會損耗多余的功率;另外，壓敏電阻是一種具有非線性伏安特性的敏感型元器件，即能夠在浪涌電路承受較大的過壓時，就會執行相應的電壓箝拉工作，可以吸收電路中多余的電流，最大限度地保護后級電路。如果在電路中過壓超過了壓敏電壓的值，則可以呈現出高阻狀態，最終實現保護電路元件不受過壓損壞的目的;最后即是電容中的電解電容，一般在電源電路中會利用其充放電特性來轉換為相對比較穩定、可靠的直流電壓。在電容量較大的作用下能夠充分地吸收電壓波動，有利于穩定開關輸入電壓，由此在電解電容器件在直流電路中的應用相對比較普及，抑制效果較為顯著[1]。

上述三種常規電路抑制器件實際上都屬于無源浪涌抑制電路器件，雖然在一定程度上可以起到吸收浪涌電壓的作用，但是其吸收的能力仍不能完全地滿足浪涌控制需求，除此之外通過這三種常規抑制電路器件吸收后的電壓值帶有一定的隨機性。所以為了更準確地確定電壓值，研究人員提出了另外一種開關輸入浪涌電路抑制的設計思路，即是與無源電路具有明顯區別的有源電路抑制浪涌電路設計。

1.2 有源浪涌抑制電路

在當前對開關輸入浪涌抑制研究的過程中，出現有一種具有電流限制功能的高電壓浪涌抑制器，能夠有效地優化有源浪涌抑制電路設計。以LT4363為例，其能夠為后級電路系統良好過欠壓和過流保護提供基本保障。所以有源浪涌抑制電路的主要工作原理是通過控制MOSFET，從而實現有效抑制開關浪涌電壓。與此同時借助這一器件還能夠在很大程度上快速反應設備電路中的負載端過流和線路短路故障，可以對電路中存在的電流進行有效的限制，更加充分地保障其能夠在檢測電阻的安全值范圍之內，減少故障發生幾率。通常情況下該器件都具有很寬的工作范圍，電壓值在4～80V之間。可以充分地在電源表現出現異常時，形成相對較好的保護。而且高電壓浪涌抑制器還能夠作為一種性能較好的熱插控制器，所以提高保護能力的方式也相對比較簡單，只需要在控制電源上，額外增加一個箝位電路，就能夠非常顯著地將保護能力提高到100V以上，而且能夠承受-60V的反向電壓[2]。

因此有源浪涌抑制電路主要依靠pin9和pin10兩個引腳，將這個兩個引腳作為有源浪涌抑制電路中，輸入芯片的過壓和欠壓比較器。此時設備所具備的電阻分壓功能可以發揮較大的作用，即是更加合理地設計出電路中的過欠壓保護點。而一旦出現了電路輸入電壓高于相關門限數值標準，就會導致pin4腳輸入低電平的狀態。此時可以關閉MOSFET。另外一方面高電壓浪涌抑制器在整機重啟前，還可以為電路提供比較長的冷卻時間，在一定程度上可以有效的減少故障發生幾率，同時避免外部的MOSFET出現較大的功率耗散。Pin12腳可以作為故障輸出指示腳，主要是對由于過壓或者過流而導致的故障進行提醒和預警，以便于及時發現電路故障問題，進而發揮保護設備的作用，最大限度避免設備過流而出現故障或者損壞[3]。

2? 開關選擇電路

2.1 無源開關設計

針對開關輸入浪涌問題在整機電路中對無源開關進行優化設計，主要是將開關輸入的電路設計在主回路正極上，同時還要串入一個P溝道MOSFET，具體優化設計方案可如圖1所示，而當S1處的開關處于斷開的狀態時，圖中所示的R1和R2兩個器件，不能夠與地構成一個相對完整的回路。而當S1處位置的開關處于閉合時，電阻R1和R2就會起到一定分壓的作用，從而使P-MOSFET的導通條件得到充分的滿足，電壓就會從Vin傳遞到Vout，形成了有效回路，能夠對開關輸入浪涌問題進行一定限制。因此無源開關設計可以避免出現較高過壓值，抑制開關輸入浪涌。如果此時電路中選擇的開關類型為常閉開關，則能夠保障一定的浪涌抑制效果。而如果開關選擇是常開型，則需要及時更換電路，確保無源開關的設計得到優化。

2.2 有源開關設計

對有源開關設計主要是通過一個按鈕接口對1.5～36V的系統電源進行管理，可以采用比較專業的按鈕通斷控制芯片提供與任選微處理器的簡單性連接。使在微處理器對終端請求未作出相關反應時，可以通過持續按壓用戶設定的可調關斷定時器以提供強制斷電的所需時間。同時按鈕通斷控制芯片能夠提供具有正負極的性能版本，其電路原理可如圖2所示，根據實驗證明有源電路開關的優化設計，當電池電量較低的情況時，設備的功率就會增大，促使有源開關的電池電壓會降低到電池保護點之下，可能就會造成負載電池電壓升高，進而引導設備故障，甚至是損壞。

3? 結語

綜上所述，隨著當前設備類型的日益增多，電路系統趨向復雜，很多設備在開關機的過程中都會出現因為負載突變而發生電壓浪涌。而經過實驗研究分析可以發現，在中小功率的場合中通過開關浪涌抑制電路以及優化設計可以實現保護電路的目的，即是控制P-MOSFET的通斷狀態實現主回路的開關控制，在實際的設備開關選型中具有較強的實用意義，而且可以更加靈活地根據設備電路情況選擇開關類型。

參考文獻

[1] 王少俊，李香.一種抗雷擊浪涌的智能電能表開關電源電路設計[J].河南科技，2019（31）：56-58.

[2] 姜東升，邱羽玲.基于MOSFET器件的開機浪涌電流抑制電路設計[J].電源技術，2019，43（7）：1216-1218.

[3] 姚旭升，陳濤.開關輸入浪涌抑制及優化設計[J].無線電工程，2018，48（9）：799-802.