一種防輸入沖擊電流的電路設計

摘要：設計了一種防輸入沖擊電流的電路，其能夠精準地按照設定值來限制輸入沖擊電流大小，優化了以往使用延時電路限制輸入電流沖擊的方法，解決了電源二次連續啟動時浪涌電流防護失效的問題。采用檢測輸入母線電容上的充電電壓值作為取樣點，與基準進行比較，當母線電容電壓充電至設定值時，比較器反轉打開金屬氧化物半導體場效應晶體管（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor， MOSFET）短接限流電阻，然后再打開后級電路工作，從而能夠精準地進行防輸入沖擊電流。通過搭建電路測試，示波器波形與理論計算值限流值基本一致，實現了精準限流，解決了二次連續啟機問題。

關鍵詞：精準采樣；母線電容電壓檢測；判斷電路；防浪涌沖擊電路；二次啟機問題

中圖分類號：TM133；TN86 文獻標識碼：A

0 引言

目前國內直流輸入電源基本都有輸入防反偏和輸入沖擊電流限制的要求[1-2]，輸入防反偏是要求在人為加反輸入電壓時，電源不工作也不損壞。防輸入沖擊電流主要是解決開機瞬間母線電容相當于處在短路狀態，沖擊電流接近無窮大的問題。沖擊電流會導致前級保險絲燒毀或系統空氣開關跳閘等狀況。目前，金屬氧化物半導體場效應晶體管（metaloxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET，即MOS 管）工作在線性區能夠起到限流作用，從而防輸入沖擊電流。但是，MOS 管工作在線性區是利用電容作為延時電路，使MOS 管在線性區停留一段時間來實現限流作用[3-4]。該電路最大的缺點是二次啟機時，延時電容還未完成放電，MOS 管直接進入飽和導通區后失去限流作用。因此，本文采用新的方式進行限流設計，采樣母線電容上的電壓值，當電壓值達到設定值后直接打開MOS 管，電源幾乎無沖擊電流，沖擊電流的大小也能精準設置。因沒有延時電容，所以不存在二次啟機的問題。

1 工作原理

首先，設計主回路輸入端母線電容的電壓采樣及判斷電路，該電路能夠檢測輸入端母線電容電壓的充電情況并給出判斷信號。其次，需要設計切換限流電路，當接收到采樣判斷電路的信號后能夠及時、準確地切換限流電路。防輸入沖擊電流原理框圖如圖1 所示。

1.1 輸入限流電路工作原理

如圖2 所示，常規防輸入沖擊電流采用C6 電容作為MOS 管柵源電壓（Vgs）延時充電電容，使MOS 管在線性區工作一段時間以實現限流作用。當連續啟機時，C6 電容未放完電會影響延時，導致限流出現問題。因此，如圖3 所示，當輸入電壓后母線電容相當于處在短路狀態，電流通過功率電阻R5 給母線電容充電（限流作用），當電容電壓被充到設定值時，檢測電路給MOS 管Vgs 加12 V 電壓，驅動MOS 管導通，短接功率電阻，以減小損耗。當連續啟機時，由于MOS 管Vgs 端未加電容，因此不存在連續啟機問題。

1.2 檢測電路工作原理

如圖4 所示，采用三極管Q7，電阻R8，電容C11、C12，以及15 V 穩壓管D4 組成的輔助電源給采樣母線電容電壓供電，分壓電阻R10、R14，基準V1（TL431），三極管Q8，以及回滯電路D8、R29 組成檢測電路，用于檢測母線電壓。當VINbus+母線電容電壓充電至額定電壓值，R10、R14分壓為2.5 V 時，V1（TL431）發生反轉后Q8 導通，將15 V 直流電壓作為MOS 管的驅動電壓加至圖3中的R3，直接驅動MOS 管進入飽和導通區。

如圖1 所示，檢測電路產生控制開啟關斷電路信號，當Q8 導通后D9、R11、R15 驅動光耦U1導通，為主回路AW1 開啟提供信號。

1.3 控制開啟關斷電路工作原理

如圖5 所示，AW2 中2 號腳位為控制該電路開啟關斷的信號腳，該腳位在低電平時關斷，在高電平或者懸空時開啟。控制開啟關斷電路由電阻R16、穩壓管D7、三極管Q9 以及D5、D6 二極管組成。當光耦U1 未動作時，光耦三極管端為斷開狀態，此時Q9 基級被R16、D7 驅動，Q9 為導通狀態，將AW2 控制腳位拉低至VIN-bus+ 的地端，AW2 始終處于關閉狀態；當檢測信號驅動U1 光耦工作后，光耦三極管端導通，將VIN-bus+ 信號通過R16、D6 拉至地端，Q9 處于關閉狀態，AW2 開啟工作。如圖4 所示，MOS 管驅動信號和光耦U1的驅動信號幾乎同時產生。但由于光耦U1 導通、三極管Q9 動作、AW2 輸出端電壓建立以及輸出端負載的切入需要時間，因此可以避開圖2 中功率電阻R5 參與主回路工作的情況，提高了產品長時間工作的可靠性。

2 防輸入沖擊電流電路主要參數分析

如圖3 所示，由多組MOS 管Q3、Q10 等，功率電阻R5 以及驅動穩壓管D2、R3 組成防輸入沖擊電流電路。R5 根據設定的限流值來設置。電阻R25 選用10 kΩ，其主要為MOS 管內部寄生電容搭建一個泄放回路，電阻R3 選用1 kΩ，限制MOS管上電流為毫安（mA）級別，D2 選用12 V 穩壓管，將MOS 管Vgs 兩端電壓始終鉗位在12 V，保證MOS 管快速導通。

如圖4 所示，輔助電源電路由三極管Q7、穩壓管D4 以及電容電阻組成。其中，Q7 選用晶體三極管，D4 選用15 V 穩壓管，保證后級取樣電路正常工作。

取樣比較電路主要由取樣分壓電阻R10、R14，基準V1，電容C16，以及三極管Q8 等組成，電阻R10、R14 的計算公式為：

U設定值=2.5（R10+R14）/R14。 （ 1）

式中，U設定值為母線電容充滿的電壓值，R10、R14 為取樣電阻的阻值。

V1 選用TL431 芯片，基準電壓為2.5 V，三極管Q8 須選用晶體三極管。D8、R29 根據開啟和關斷的電壓差來設置。

3 試驗數據分析

某開關電源要求輸入額定電壓為28 V，直流電壓范圍為18 ～ 36 V，隔離穩壓輸出，輸出電壓、電流分別為12 V、30 A，電源具備健康管理功能，狀態自檢正常后給輸出12 V 加電，供負載使用。其中，電源輸入端母線電容為1 000 μF/63 V，限流電阻R5 為20 Ω/5 W 功率電阻，開機啟動沖擊電流。母線電容充電時間的計算公式為：

τ=5RC。 （ 2）

式中，τ 為母線電容充電時間，R 為限流電阻，C為母線電容。

在搭建防輸入沖擊電流電路后，測試沖擊電路和MOS 管波形。當輸入加電后，MOS 管處于打開狀態的時間約為100 ms，此時輸入端電流約為1.4 A，幾乎無沖擊電流。當母線電容充滿后，MOS 管導通約200 ms 后，在有負載的情況下輸出12 V 電壓進行供電，輸入端也無沖擊電流。經連續反復開關機測試，該電路具有輸入防充電電流的能力。

4 結論

本文設計了一種防輸入沖擊電流的電路，采用精準采樣母線電容的電壓的方法來防輸入沖擊電流。試驗結果表明，其能夠有效抑制輸入沖擊電流，同時還解決了傳統防沖擊電流電路連續啟機問題，提高了產品的可靠性，符合電源發展趨勢。

參考文獻

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[4] 胡雪巖，王永成，賁廣利. 固態繼電器過載失效與浪涌抑制電路參數設計[J]. 長春理工大學學報（自然科學版），2019，42（4）：15-21.