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浪涌电流解决方案

 浪涌电流(inrush current)是当一个电源开启时产生的尖峰电流(spike of current)。图1是一个典型的电源系统。EMI滤波器输入线路端包含了一些电容,同样直流-直流转换器在输入和输出端也含有电容,负载端有可能含有其它的附加电容。这些电容须要电流对其充电直至稳态电压。这电流即浪涌电流。

                        1:展示相关电容的典型电源系统

    大的浪涌电流可能被系统的特性(specifications)控制。一个顾虑是尖峰电流可能对邻近的电路产生电磁干扰,或引起逆流电路断路器跳闸,或使固态功率控制器(solid state power controller)的过流保护失控。

 

浪涌电流波形 (Inrush Current Waveform)

     2展示了一个典型的浪涌电流波形。它有两个峰。第一个“浪涌尖端” 电流峰值是输入电压电源(input voltage source) 启动时产生的。这个峰值电流流入EMI滤波器电容和直流-直流转换器的输入端电容,并被充电至稳态值 (steady state value)。第二个电流峰值是直流-直流转换器启动时产生的。这个峰值电流通过直流-直流电源变压器流入到输出端电容器和所有负载电容,充电至稳态值。

2:典型的浪涌电流波形

 

浪涌尖峰电流 (Inrush Spike Current)

第一个电流峰值通常指浪涌尖端。其峰值和形状很大程度上取决于输入电源的特性,尤其是电压上升时间(voltage rise time)和电源阻抗(source impedance)。一个快速的上升输入电压波形(比如来自于机械性的开关)将产生一个很高很窄的电流峰值。一个较慢的上升输入波形(比如来自于一些上流电子器件的输出(output of upstream electronics)或电容器组(capacitor bank)将产生一个较低的容易受控的电流峰值。

浪涌电流的峰值可由方程式推导,i=C*dv/dt。电容(C)是EMI滤波器以及直流-直流转换器输入端的总电容。dv/dt是充电电压波形(applied voltage waveform)的斜率。只有当输入电压电源有一个很快的上升时间时,浪涌峰值才会带来问题。正常情况下,只有机械开关(mechnical switch)和继电器闭合(relay closure)能产生一个足够快的上升时间。如果电源是一个开关电源器,固态功率控制器或者电容器组,上升时间通常会比较慢。开关电源器的输出电压上升时间,大约为几毫秒。固态功率控制器(SSPC)通常是50 us500us较大的电容器组通常在几微秒时间内不能充电完全。这些较慢的上升时间将不会产生过高的电流峰值。估算尖峰电流的数值与其电流波形的i2t都是十分重要的。两者均会决定浪涌尖端电流是否引起逆流熔断器、电路断路器或者固态功率控制器跳闸。

 

启动电流(Turn On Current)

2所示的第二个电流峰也被认为是浪涌电流的一部分。当直流-直流转换器开启后, 来自输入端的电流对其输出端电容以及负载电容充电时,将产生这个峰值。典型的启动电流波形如图3所示。无论转换器是通过输入电压还是通过抑制端信号(inhibit signal)开启,其启动电流都是相同的。

 

3 典型的启动电流波形

 

     VPT直流-直流转换器使用一个特有的磁反馈 (magnetic feedback scheme),该设计具有控制很好的内部启动次序(star-up sequence)以及由输出电压精密控制的平稳启动 (soft start)特性。这种平稳启动确保了输出电压在受控状态下以有限的dv/dt斜率上升。由于启动平稳, 开启过程中转换器的输入电流通常不会超过稳态输入电流,如图3标准曲线所示。

     VPT直流-直流转换器也具有连续恒定的输出电流(continuous constant output current limit)特性。他们可为任何负载提供全部额定电流,不会间间断断或者关闭后又重新启动,这使得任何大小的任何电容负载都能被启动。当负载电容很大时,直流-直流转换器在开启过程中可能达到恒定电流,而输入电流却不会超过约1.5倍的稳态输入电流。如图3所示的大负载电容曲线。它不会高到引起任何的干扰或阻止逆流保护装置跳闸。使用VPT的直流-直流转换器,第二个浪涌峰值将不会对系统产生负面效果。

 

限制有源浪涌(Active Inrush Limiting

    在一些应用中,需要限制浪涌峰值电流流入到输入电容中。只有一种方法就是在这些电容前面串联一系列组件。图4展示了一个非常基本的限制浪涌电路。串联电阻R1将限制输入电流,直至输入电容被充满。随后继电器S1闭合,使电流全部流向下级直流-直流转换器。继电器线圈能用28V输入电压驱动,因此它将在一定程度上实现自动控制。

4  有效限制浪涌电流的串联电阻离散电路

     此外,一个感应器也可以被用来控制浪涌电流。因为它能够以低损耗传输直流电流,因此不需要添加一个旁路。然而较大的电感值通常是充分限制浪涌电流所必需的。需要注意的是,这个感应器可能和输入滤波器或者直流-直流转换器的内部反馈回路相互影响,导致系统不稳定。用附加的组件来抑止出现的谐振通常是必要的。

 

另一个有效电路如图5所示。这个电路在电源端负极使用一个MOS场效应管(MOSFET)系列器件Q1Q1通过R2拉低其门限电压,通常是断开的。当施加输入电压时,通过R1为栅极充电。Q1的充电时间和开启时间将由于C1的存在而减慢。可以选用R1C1来为输入电容缓慢充电,来限制浪涌电流。在输入电容充好后,Q1栅极将会充电,直至被齐纳(稳压)二极管(zener)限制,然后Q1将保持完全开启。

5有效限制浪涌电流的串联晶体管离散电路

这个电路可以修改为将Q1 放置正极。PMOS场效应管或者NMOS场效应管都可用,但是需使用由充电泵( ge pump)或者隔离供给(isolated supply)来驱动栅极。另外还存在其他一些有效的浪涌限制电路。他们均在输入电源端使用一些串联组件且以几乎相同的方式发挥作用。很重要的是一旦输入电容器被充电,这些装置应被旁路或完全开启,以限制线阻抗和功率耗损。同时浪涌控制不可在输入端引入任何噪声因为它位于电磁干扰滤波器的上级。

 

带浪涌限制的输入模块 (Input Modules with Inrush Limiting

    VPT的一些输入模块包含了内置的浪涌限制。如表1中所列。这些模块在正极都使用了串联的NMOS场效应管。NMOS场效应管实现最低开启电阻使功耗最小。它位于正极不会打断回路,简化了系统设计。这个串联MOS场效应管还有双重目的:提供输入电压瞬时保护(transient protection)

 

Table 1. 具浪涌电流限制功能的模块

Model

Series

Function

Rating

DV-704A

Military and Avionics

EMI filter and Voltage spike protection

2A

DVMN28

COTS potted modules

EMI filter and Voltage spike protection

14A / 250W

VPTPCM-12

VPT Series Metal Modules

Preconditiong module

120W

DV-704A或者DVMN28均包含EMI滤波器和浪涌限制。两个回路一起最优化工作。浪涌电流限制任何电流流入EMI电容,但是在进线中不接入任何额外的电磁波干扰,允许使用于离散型电路。VPTPCM-12包含浪涌限制电路,限制浪涌电流流入电容和下级直流-直流转换器。但它也包含开关组件,所以可能需要在它的输入端添加无防护的EMI滤波器。

 

结论

浪涌电流是当施加输入电压或启动时流到功率转换器中的峰值电流。大多数系统的浪涌电流规范单一使用VPT的直流-直流转换器便可。少数则需要附加电路在输入电容端限制浪涌尖峰,或者使用有内置限制浪涌的VPT输入模块。