深入解析Buck电路：原理要点与器件选型建议

今天给大家分享的是：6 种抑制开关电源启动浪涌电流的方法。一、SMPS的启动浪涌电流 开关电流的浪涌电流是指电源开启瞬间流入供电设备的峰值电流，如下所示，由于充电器的输入滤波电容快速充电，峰值电流远大于稳态输入电流。电源应限制交流开关、整流桥、保险丝和EMI滤波器装置可承受的浪涌水平，反复切换回路，交流输入电压不应损坏电源或者导致保险丝熔断。除此之外，浪涌电流也指因电路异常而导致结温超过额定结温的非重复性最大正向过载电流。带浪涌电流限制和不带浪涌电流限制的 SMPS 启动电流下面为开关电源中的启动浪涌电流。如下图，输入电压首先经过干扰滤除，然后通过桥式整流转换为直流电，接着大电解电容对波形进行平滑，最后才计入真正的DC-DC转换器。输入浪涌电流是在电解电容初次充电时产生的，其大小取决于加电开始时输入电压的幅值以及桥式整流器和电解电容形成的回路的总电阻，如果恰好在交流输入电压的峰之点启动，就会出现峰值输入浪涌电流。开关电源中的启动浪涌电流二、如何限制开关电源中的浪涌电流 01 串联负温度系数热敏电阻（NTC）串联NTC（负温度系数）热敏电阻限流电阻是抑制浪涌电流最简单的方法。由于NTC热敏电阻的阻值会随着温度的升高而减小，所以当开关电源启动时，NTC热敏电阻处于常温状态，阻值较高，可以有效地限制电流，电源启动后，NTC热敏电阻由于自身散热作用，会迅速升温至10℃左右，阻值明显降低至室温时的十五分之一左右。选择阻温特性合适的NTC温控器可以大大降低开关电源正常工作时的功率损耗。串联负温度系数热敏电阻（NTC）优点：简单实用，成本低缺点：NTC热敏电阻的限流效果受环境温度影响较大；低温启动时，如果阻值太大，充电电流太小，开关电源可能无法启动。如果在高温下启动，热敏电阻的阻值太小，可能达不到限制输入浪涌电流的效果。当电短暂中断时，只能实现部分限流效果。在这短暂的终端期间，电解电容已经放电完毕，NTC热敏电阻的温度仍然很高，阻值很小。当电源需要立即重新启动时，NTC热敏电阻无法有效限制启动浪涌电流。NTC热敏电阻的功率损耗降低了开关电源的转换效率。02 使用功率电阻来限制浪涌电流当设计小功率开关电源时，可以直接使用功率电阻来限制浪涌电流。但是这个方法不节能，因此无论是在启动期间还是在工作阶段，电阻几乎恒定，因此在电源的整个运许过程中施加恒定的功率。使用功率电阻来限制浪涌电流优点：电路简单，成本低，对浪涌电流的限制几乎不受高低温的影响。缺点：仅适用于低/微功率开关电源；对转换效率影响很大。03 启动时使用电阻，启动完立马去掉电阻在额定功率高于几瓦的电源中使用电阻限制启动电流效率不高，只要系统通电，电阻就会消耗功率，即仅在系统启动时才需要电阻。因此启动完成厚必须立马去掉电阻。实现此功能的方法有很多，例如在功率电阻上并联一个继电器、一个NTC热敏电阻或者一个MOS管，如下所示。NTC热敏电阻和普通功率电阻并联以限制浪涌电流。NTC 热敏电阻旁路电阻限制开关模式电源中的启动浪涌电流继电器旁路电阻器限制开关模式电源中的启动浪涌电流在室温下启动时，功率电阻和热敏电阻并联的总阻值足够大，足以限制浪涌电流。低温启动时，NTC热敏电阻的阻值足够大，因此并联电阻和NTC热敏电阻的总阻值足以有效限制浪涌电流。随着NTC热敏电阻迅速升温，其阻值急剧下降，起到功率电阻被NTC热敏电阻分流的作用。优点：简单实用，常温低温均可使用缺点：对效率的影响更大。高温浪涌电流大。04 与晶闸管一起使用串联定值电阻来限制输入浪涌电流接通电源时，Vs截止，电流通过R1，R1起限流作用，达到一定条件，VS导通，R1开路。效率损失大大降低。晶闸管旁路电阻器限制开关模式电源中的启动浪涌电流优点：低功耗浪涌电流的限制几乎不受高温和低温的影响。缺点：体积大、成本高。05 采用MOSFET开关管和延时网络电路抑制浪涌电流电路工作的基本原理是：由于DC-DC开关电源的输入端接有电容滤波电路，当电源接通时，瞬间需要对输入电容进行充电，因此需要很大的电容滤波电路。瞬间出现浪涌电流 插入总线输入接地线上的 MOSFET (T) 的漏源极不导通。通过两个电阻、一个电容和一个齐纳二极管组成的延迟电路，MOSFET(T)的栅极被上电。MOSFET(T)的漏源逐渐导通，从而有效降低了电源接通时输入端电容滤波电路产生的浪涌电流值。当电路进入稳定工作状态时，其漏源极始终导通。由于实际的开关电源产品设计具有不同的浪涌电流抑制效果，通过调整滤波电容的具体参数，可以获得不同的浪涌电流抑制效果。MOSFET 返回限制开关模式电源中的启动浪涌电流06 PTC（正温度系数）热敏电阻在某些情况下，PTC（正温度系数）热敏电阻有时是限制浪涌电流的最佳解决方案。环境温度高，在这种情况下，NTC热敏电阻在系统启动时电阻较低，大大降低了浪涌电流限制的效果。相反，PTC热敏电阻在较高温度下具有较大电阻，因此在这种情况下使用PTC比使用NTC热敏电阻具有更好的结果。环境温度很低，因此NTC热敏电阻的电阻会很高，从而不利地限制电源电流小于启动所需的最小电流。在这种情况下，PTC热敏电阻是优选的。在系统中，某些设备必须频繁地打开和关闭。在这种情况下，它会产生多个浪涌电流峰值实例。两个实例之间的时间非常短，如果使用 NTC 热敏电阻，则会给系统带来风险。NTC热敏电阻需要时间冷却，如果冷却不充分，阻值会很低。当请求重启并且NTC处于低阻状态时，将会遇到过大的浪涌电流。当发生短路故障时，系统电流会急剧增加，NTC热敏电阻会迅速升温。当NTC热敏电阻的阻值较低时，它会允许更多的电流，加速短路损坏。在上述情况下，最好使用PTC热敏电阻来限制浪涌电流。继电器旁路 PTC 热敏电阻限制开关模式电源中的启动浪涌电流PTC热敏电阻的成本比NTC热敏电阻高。此外，基于 PTC 的限流电路需要旁路机制，以便在 PTC 变热时将其从电源回路中移除。如上图所示，当检测到电源电流低于阈值时，继电器用于旁路 PTC 热敏电阻。尽管存在成本高的缺点，PTC 仍然在许多应用中受到青睐，例如直流电机和螺线管，因为 PTC 热敏电阻具有自我保护特性，当电流过大时，其电阻会增加。来源：电磁兼容之家