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开关电源的限流电路方案
时间:2021-01-08 08:35:05 点击次数:41

由于电容器在瞬态时可以看成是短路的,当开关电源上电时,会产生非常大的冲击电流。冲击电流的幅度要比稳态工作电流大很多,如对冲击电流不加以限制,不但会烧坏保险丝,烧毁接插件,还会由于共同输入阻抗而干扰附近的电器设备。下面谈下两种限制DC-DC电源冲击电流的方法。

 

1、长短针法:

 

长短针法冲击电流限制电路如上图所示:在DC-DC电源板插入时,长针接触,输入电容C1通过电阻R1充电,当电源板完全插入时,电阻R1被断针短路。C1代表DC-DC电源的所有电容量。

该方法缺陷是插入的速度不能控制,如插入速度过快,电容C1还没充满电时,短针就已经接触,冲击电流的限制效果就不好。也可用热敏电阻法来限制冲击电流,但由于DC-DC电源的输入电压较低,输入电流较大,在热敏电阻上的功耗也较大,一般不用这种方法。

 

2、有源冲击电流限制法:

利用MOS管控制冲击电流可以克服无源限制法的缺陷。MOS管有导通阻抗Rds_on低和驱动简单的特点,在周围加上少量元器件就可以做成冲击电流限制电路。MOS管是电压控制器件,其极间电容等效电路如下图所示:

 

带外接电容C2NMOS管极间电容等效电路MOS管的极间电容栅漏电容Cgd、栅源电容Cgs、漏源电容Cds可以由公式确定,公式中MOS管的反馈电容Crss,输入电容Ciss和输出电容Coss的数值在MOS管的产品技术手册上可以查到。公式如下:

 

电容充放电快慢决定MOS管开通和关断的快慢,为确保MOS管状态间转换是线性的和可预知的,外接电容C2并联在Cgd上,如果外接电容C2MOS管内部栅漏电容Cgd大很多,就会减小MOS管内部非线性栅漏电容Cgd在状态间转换时的作用。外接电容C2被用来作为积分器对MOS管的开关特性进行精确控制,控制了漏极电压线性度就能精确控制冲击电流。

 

如上图所示:基于MOS管的自启动有源冲击电流限制法电路。MOSQ1放在DC-DC电源的负电压输入端,在上电瞬间,DC-DC电源的第1脚电平和第4脚一样,然后控制电路按一定的速率将它降到负电压,电压下降的速度由时间常数C2*R2决定,这个斜率决定了最大冲击电流。

D1用来限制MOSQ1的栅源电压,元器件R1C1D2用来保证MOSQ1在刚上电时保持关断状态。上电后,MOS管的栅极电压要慢慢上升,当栅源电压Vgs高到一定程度后,二极管D2导通,这样所有的电荷都给电容C1以时间常数R1×C1充电,栅源电压Vgs以相同的速度上升,直到MOSQ1导通产生冲击电流。其中VthMOSQ1的最小门槛电压,VD2为二极管D2的正向导通压降,Vplt为产生Iinrush冲击电流时的栅源电压。Vplt可以在MOS管厂商所提供的产品资料里找到。

漏极击穿电压Vds必须选择Vds比最大输入电压Vmax和最大输入瞬态电压还要高的MOS管,对于通讯系统中用的MOS管,一般选择Vds≥100V。稳压管D1是用来保护MOSQ1的栅极以防止其过压击穿,显然MOSQ1的栅源电压Vgs必须高于稳压管D1的最大反向击穿电压。一般MOS管的栅源电压Vgs20V,推荐12V的稳压二极管。

其中PoutDC-DC电源的最大输出功率,Vmin为最小输入电压,ηDC-DC电源在输入电压为Vmin输出功率为Pout时的效率。η可以在DC-DC电源厂商所提供的数据手册里查到。MOS管的Rds_on必须很小,它所引起的压降和输入电压相比才可以忽略。

该方法优点为功耗低,常温、低温、高温对浪涌电流的限制效果都特别好。缺点为体积大、成本高。

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