系统冲击电流控制解决方案与研究

严会会，冯 非，刘卫华

（中国航空工业集团公司 西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710065）

0 引 言

为了提高系统电子设备的品质及EMC特性，系统输入端都会加入大量的滤波电容来降低电源输出纹波。稳态下大量的滤波电容对系统几乎没有影响，但是在开机瞬间则会对设备造成较大影响，这是因为电子设备加电启动瞬间滤波电容相当于短路，会吸取大量的电流，即启动冲击电流，启动冲击电流很大，可以达到稳态工作电流的几十倍甚至上百倍。此时如果电压源功率不够，无法提供瞬间大功率给电子设备，则设备会处于开机振荡状态，从而无法启动或引起本系统内的其他电子设备瞬间掉电，即使电压源有足够的功率，过大的启动冲击电流也会给前端电子器件造成不可恢复的损害[1]。另外，过大的启动冲击电流也会对电网产生干扰。针对目前存在的启动冲击电流问题，提出不同的解决方案。

1 冲击电流解决方案

上电过程中产生启动冲击电流的主要原因是电源输出端的电容充电和电源负载吸收电流，其中，电容充电时的电流和电压变化如图1（a）和图1（b）所示。

由图可知，在t=0时，充电电流最大为Istart，随着充电时间的累积，充电电流逐渐减小，而充电电压则逐渐增加，最后充电电流接近0，电容电压达到最大值。计算公式为：

式中，ic(·)为回路中的电容充电电流；C为电源输出侧滤波电容和负载输入电容之和的总电容值；R是线路等效电阻；Uin是系统输入电压；uc(·)是电容两端电压；RC是时间常数，决定了充电曲线形状，且值越大充电时间越长。当t=0时，电容两端电压uc(t)=0，启动冲击电流有最大值ic=Uin/R。假设线路等效阻抗R=0.5 Ω，电源输入电压Uin=24 V，则启动冲击电流ic=48 A，如此大的冲击电流一方面会对电路中的有源器件产生不可恢复的损害，另一方面极易引起系统振荡问题，导致设备启动失败。为了解决启动冲击电流过大问题，可以增加线路阻抗R，在t=0时，R越大，启动冲击电流就越小。

1.1 无源冲击电流解决方案

1.1.1 串联电阻法

对于小功率开关电源，可以用串联电阻法，如图2所示。若选择的电阻较大，冲击电流就较小，电阻上的功耗较大，因此需选择折中的电阻值，使冲击电流和电阻上的功耗都在允许范围内。串联在电路上的电阻必须承受开机时的高电压和大电流，所以该方式多应用于储能电容的充电限流场合。

图2 使用串联电阻的冲击电流抑制电路

1.1.2 热敏电阻法

小功率用电系统采用负温度系数的热敏电阻（Negative Temperature Coefficient，NTC），如图3所示。系统首次启动时，NTC的电阻值很大，可限制冲击电流，随着NTC自身的发热，其电阻值变小，在工作状态时的功耗也随之减小。但热敏电阻需要时间冷却来将阻值升高到常温态以备下一次启动，如果用电系统关掉后马上开启，热敏电阻还没有冷却，这时会失去对冲击电流的限制作用[2]。此解决方案只能应用于非频繁上下电的系统，在频繁上下电应用中会失去冲击电流限制能力。

图3 使用NTC电阻的冲击电流限制电路

1.1.3 可控硅限流法

直接串联限流电阻是解决无源冲击电流最简单有效的方案，为了解决其功耗问题，在串联电阻中加入可控硅晶闸管，如图4所示。

图4 串联电阻配合可控硅晶闸管限制冲击电流

上电时，可控硅晶闸管VS关断，电阻R1起到限流作用，在启动阶段快结束时，控制可控硅晶闸管导通，限流电阻R1被旁路，降低了R1的功耗，可以应用于大功率场景。但其缺点也很明显，需要有额外的晶闸管控制电路，保证系统启动瞬间不工作，在一定延时后导通可控硅晶闸管，这样会增加控制难度及物料成本[3]。

1.2 有源冲击电流解决方案

无源冲击电流限制方案存在一定的缺陷，无法完全解决问题，在此基础上利用MOSFET中3种工作区的工作特性，提出有源冲击电流限制法来克服无源冲击电流解决方案的缺陷。MOSFET具有导通阻抗Ron低和驱动简单的特点，在周围加上少量的元器件就可以做成冲击电流限制电路[4]。通过MOSFET的米勒平台效应，调整外围参数来控制MOSFET工作区，如图5所示。

图5 利用MOSFET的有源冲击电流控制的电路

D1是稳压二极管，用来限制MOSFET Q1的栅源GS电压，进而保护Q1不因GS过压而损坏，R1、R2、C1用来保证MOSFET Q1在刚上电时处于关断状态，在上电后28 V直流电源通过R1、R2分压网络对C1进行充电，充电过程及充电电压可结合式（1）来计算，由于稳压管D1的存在，充电电压会被限制，当C1两端电压上升至Q1和GS阈值电压时，Q1开始导通。

该电路将MOSFET Q1串联在系统供电的负电源线上，正常情况下Q1栅极被电阻R2拉低而关断。当施加输入电压时，栅极通过R1充电，Q1的充电时间和开启时间都由时间常数R1C1决定。通过选择R1和C1的值控制Q1的线性工作区时间，从而限制浪涌电流。在输入电容充满后，Q1栅极将继续充电直到稳压管被击穿，Q1栅极电压等于稳压管电压，Q1完全导通。此外，有源冲击电流限制电路在实现冲击电流控制后，需要被旁路或者完全导通，这么可以降低有源冲击限流电路的功耗。通过控制MOSFET栅极驱动电压建立时间，可有效抑制冲击电流，但在启动过程中会额外增加MOSFE的功率，因此在MOSFET选型中还需要依据其安全工作区（Safe Operating Area，SOA）曲线来进行详细的计算与核对。

MOSFET导通后其导通压降几乎为零，损耗很小，但在MOSFET抑制启动冲击电流时，其自身承受着较大的冲击功率，所以需要校核MOSFET的工作特性，以防止冲击电流抑制时间长而导致MOSFET损坏。MOSFET最大功率点发生在上电初期，此时：

根据式（3）计算MOSFET最大功率点，根据式（4）计算MOSFET导通需要的时间，复查MOSFET的SOA曲线，确定安全余量充足，且MOSFET选型合理。

1.3 快速启动的冲击电流解决方案

有源MOSFET冲击电流限制方案虽然解决了频繁上下电冲击电流及限流电阻功耗大的问题，但存在启动时间增加的问题，即限制冲击电流时需要延长电容充电时间，导致产品启动时间增加[5]。在要求上电后需要快速启动的系统中，上述解决方案并不可行。针对这一问题，提出一种启动时间短且冲击电流小的解决方案。在设备上电启动过程中，通过电阻对电容进行充电，电容充满电后，旁路电阻，限制冲击电流。图6为采用了该种控制方式的应用电路图。

图6 应用电路图

电源电压上升过程中，通过限流电阻R1对电容进行充电，当C1充电至一定电压后控制信号开关V1关闭，旁路限流电阻R1，避免R1产生额外的功耗，V1可以用MOSFET来实现。该设计方案结合无源的电阻限流和有源的控制法，具有启动时间不受限制且控制灵活的优点。波形图7（a）为一实测冲击电流抑制前冲击电流波形，波形图7（b）为一实测冲击电流抑制后冲击电流波，从波形图中可知冲击电流大概从25 A降低到5 A。该方案大幅度降低了冲击电流，减小了冲击电流对系统的危害。

图7 控制措施效果实测

2 结 论

本文分析了产生启动冲击电流的主要原因及对应的启动冲击电流抑制方案，对比了各自的优缺点，结合实际应用需求，通过在回路中串联限流电阻抑制启动冲击电流，增加限流电阻旁路开关等措施解决频繁上下电限流失效、设备启机时间增加等问题，可将启动冲击电流由25 A减小到5 A，有效抑制了启动冲击电流，提高了系统的稳定性。本文所提电路实测可靠有效，具有良好的应用前景。