浅析开关输入浪涌抑制及优化设计

魏焕然 张梓威

摘   要：在设备开关机的过程中可能会由于负载跃迁而出现电压浪涌的现象，针对这一问题提出了一种用于DC-DC变换器的带过流保护功能的浪涌控制开关电路。通过研究实践该电路在一定程度上可以抑制上电时出现的浪涌电压，而且还具有对输入过欠电压和过流的保护作用。为了更加灵活地选择开关，本文设计了两种通过控制主回路的通断实现导通以及关闭电路的方案。本文先是阐述了浪涌抑制电路的原理，分析开关选择电路设计，为相关开关输入浪涌抑制以及优化设计提供借鉴和参考。

关键词：开关输入  浪涌抑制  优化设计

随着我国计算机技术以及通信技术的进步，电源技术随之而得到了普及应用和发展。尤其是在工业自动化领域广泛应用的形势下，电源技术的各项功能和技术指标逐渐趋近于完善，可以发挥较大的作用。但是在整机设备开关时仍然会出现一些问题，比如电路电压瞬变或者开关输入浪涌现象等，很容易引发整机故障。针对这一现象，一般会采用吸收器或者是无电源保护电路来抑制电压浪涌。基于此本文结合研究所实际工作经验展开分析和研究。

1  浪涌抑制电路的原理

1.1 常规抑制电路原理

由于在设备整机开关闭合或者导通的过程中，开关输入浪涌的电压持续时间和能量都相对比较有限，因此在抑制电路浪涌时可以通过吸收器件来实现，比如常规使用的吸收器件有瞬态抑制二极管、压敏电阻或者电解电容等，这些吸收器具都具有非常显著的浪涌抑制效果。其中瞬态抑制二极管的工作原理是利用允许的反向电流，能够在工作状态下吸收大电流并起到箝拉电压的作用。然而在相关工业自动化设备整机正常的运行状态下，瞬态抑制二级管并不会进行相应工作，在设备的电路中相当于开路。而一旦在电路中出现了较大的瞬间高压脉冲，其就会将高压脉冲击穿电压，在一定程度上可以起到保护后级电路的功能。直到高压脉冲过去之后，瞬态二极管则再次恢复开路状态，所以其只会在出现高压脉冲时才会发挥保护后级电路的作用。在实际的设备运行中并不会损耗多余的功率;另外，压敏电阻是一种具有非线性伏安特性的敏感型元器件，即能够在浪涌电路承受较大的过压时，就会执行相应的电压箝拉工作，可以吸收电路中多余的电流，最大限度地保护后级电路。如果在电路中过压超过了压敏电压的值，则可以呈现出高阻状态，最终实现保护电路元件不受过压损坏的目的;最后即是电容中的电解电容，一般在电源电路中会利用其充放电特性来转换为相对比较稳定、可靠的直流电压。在电容量较大的作用下能够充分地吸收电压波动，有利于稳定开关输入电压，由此在电解电容器件在直流电路中的应用相对比较普及，抑制效果较为显著[1]。

上述三种常规电路抑制器件实际上都属于无源浪涌抑制电路器件，虽然在一定程度上可以起到吸收浪涌电压的作用，但是其吸收的能力仍不能完全地满足浪涌控制需求，除此之外通过这三种常规抑制电路器件吸收后的电压值带有一定的随机性。所以为了更准确地确定电压值，研究人员提出了另外一种开关输入浪涌电路抑制的设计思路，即是与无源电路具有明显区别的有源电路抑制浪涌电路设计。

1.2 有源浪涌抑制电路

在当前对开关输入浪涌抑制研究的过程中，出现有一种具有电流限制功能的高电压浪涌抑制器，能够有效地优化有源浪涌抑制电路设计。以LT4363为例，其能够为后级电路系统良好过欠压和过流保护提供基本保障。所以有源浪涌抑制电路的主要工作原理是通过控制MOSFET，从而实现有效抑制开关浪涌电压。与此同时借助这一器件还能够在很大程度上快速反应设备电路中的负载端过流和线路短路故障，可以对电路中存在的电流进行有效的限制，更加充分地保障其能够在检测电阻的安全值范围之内，减少故障发生几率。通常情况下该器件都具有很宽的工作范围，电压值在4～80V之间。可以充分地在电源表现出现异常时，形成相对较好的保护。而且高电压浪涌抑制器还能够作为一种性能较好的热插控制器，所以提高保護能力的方式也相对比较简单，只需要在控制电源上，额外增加一个箝位电路，就能够非常显著地将保护能力提高到100V以上，而且能够承受-60V的反向电压[2]。

因此有源浪涌抑制电路主要依靠pin9和pin10两个引脚，将这个两个引脚作为有源浪涌抑制电路中，输入芯片的过压和欠压比较器。此时设备所具备的电阻分压功能可以发挥较大的作用，即是更加合理地设计出电路中的过欠压保护点。而一旦出现了电路输入电压高于相关门限数值标准，就会导致pin4脚输入低电平的状态。此时可以关闭MOSFET。另外一方面高电压浪涌抑制器在整机重启前，还可以为电路提供比较长的冷却时间，在一定程度上可以有效的减少故障发生几率，同时避免外部的MOSFET出现较大的功率耗散。Pin12脚可以作为故障输出指示脚，主要是对由于过压或者过流而导致的故障进行提醒和预警，以便于及时发现电路故障问题，进而发挥保护设备的作用，最大限度避免设备过流而出现故障或者损坏[3]。

2  开关选择电路

2.1 无源开关设计

针对开关输入浪涌问题在整机电路中对无源开关进行优化设计，主要是将开关输入的电路设计在主回路正极上，同时还要串入一个P沟道MOSFET，具体优化设计方案可如图1所示，而当S1处的开关处于断开的状态时，图中所示的R1和R2两个器件，不能够与地构成一个相对完整的回路。而当S1处位置的开关处于闭合时，电阻R1和R2就会起到一定分压的作用，从而使P-MOSFET的导通条件得到充分的满足，电压就会从Vin传递到Vout，形成了有效回路，能够对开关输入浪涌问题进行一定限制。因此无源开关设计可以避免出现较高过压值，抑制开关输入浪涌。如果此时电路中选择的开关类型为常闭开关，则能够保障一定的浪涌抑制效果。而如果开关选择是常开型，则需要及时更换电路，确保无源开关的设计得到优化。

2.2 有源开关设计

对有源开关设计主要是通过一个按钮接口对1.5～36V的系统电源进行管理，可以采用比较专业的按钮通断控制芯片提供与任选微处理器的简单性连接。使在微处理器对终端请求未作出相关反应时，可以通过持续按压用户设定的可调关断定时器以提供强制断电的所需时间。同时按钮通断控制芯片能够提供具有正负极的性能版本，其电路原理可如图2所示，根据实验证明有源电路开关的优化设计，当电池电量较低的情况时，设备的功率就会增大，促使有源开关的电池电压会降低到电池保护点之下，可能就会造成负载电池电压升高，进而引导设备故障，甚至是损坏。

3  结语

综上所述，随着当前设备类型的日益增多，电路系统趋向复杂，很多设备在开关机的过程中都会出现因为负载突变而发生电压浪涌。而经过实验研究分析可以发现，在中小功率的场合中通过开关浪涌抑制电路以及优化设计可以实现保护电路的目的，即是控制P-MOSFET的通断状态实现主回路的开关控制，在实际的设备开关选型中具有较强的实用意义，而且可以更加灵活地根据设备电路情况选择开关类型。

参考文献

[1] 王少俊，李香.一种抗雷击浪涌的智能电能表开关电源电路设计[J].河南科技，2019（31）：56-58.

[2] 姜东升，邱羽玲.基于MOSFET器件的开机浪涌电流抑制电路设计[J].电源技术，2019，43（7）：1216-1218.

[3] 姚旭升，陈涛.开关输入浪涌抑制及优化设计[J].无线电工程，2018，48（9）：799-802.