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如何有效抑制电源设备的输入冲击电流

一、摘要

我们日常生活中使用的各种家用电器,以及乘坐的汽车和火车等交通工具都是电源的广泛应用,而且电源设备在军工及航空航天等特殊行业中也有着极其广泛的应用。

为保证电源设备稳定工作不被干扰,需要在电源设备的输入端并联电容。同时为实现电源设备的输入过载保护,还会在电源设备的输入端串联保险丝或断路器等。由于输入电容的存在,电源设备在启动过程中将会产生较大的输入冲击电流,可能会导致保险丝熔断或断路器跳闸等问题。本文将从电源设备输入冲击电流抑制方案的设计与应用,给出可靠的解决方案。


二、输入冲击电流的产生原因

输入冲击电流产生路径如图1所示。

图1 拷贝.jpg

供电系统启动时,输入电压Vin快速升高,输入电压Vin通过输入等效阻抗Rin对输入等效大电容Cin进行充电。输入回路没有使用输入冲击电路抑制电路时,由于输入等效阻抗Rin主要为PCB走线阻抗、EMC电路中共模/差模电感阻抗和端口连接阻抗等,输入等效阻抗Rin相对较小(相对于输入冲击电路抑制电路的阻抗可忽略不计),将导致较大的输入冲击电流。

在110VDC输入,输入等效大电容Cin为100uF,未加电流抑制电路时,输入冲击电流典型波形如图2所示,输入冲击电流达到170A。图2 拷贝.jpg


三、输入冲击电流抑制电路应用系统框图

输入冲击电流抑制电路应用系统框图如图3所示。

图3 拷贝.jpg

输入冲击电流过大将会导致输入端保险丝熔断或断路器跳闸等问题,对于高可靠性要求的行业应用,进行输入冲击电流抑制必不可少。


四、电路方案对比

为了有效抑制输入冲击电流,行业内常采用的方案有以下几种:

方案1:将电阻器串联在电源设备的输入回路中,进行输入冲击电流抑制,输入回路串联电阻器R1后的方案示意图如图4所示。

图4 拷贝.jpg

供电系统开始供电时,输入等效大电容Cin电压较小,输入冲击电流最大为,为有效抑制输入冲击电流,串联电阻器R1需要较大的阻值,电源设备稳定工作时,将有持续的电流流过电阻器R1,电阻器R1存在发热严重和影响产品效率的缺点。

以输入电压Vin=110VDC,输出功率Po=100W,产品效率ƞ=93%,需求输入冲击电流Iin≤10A为例,可计算出电阻器R1取值为,稳态工作时电阻器R1的输入电流,电阻器R1的损耗。考虑到电阻器的尺寸和温升等,一般需要电阻器R1的损耗小于1W,即对于输出功率小于30W的小功率电源设备可考虑使用此方案,对于较大功率的电源设备需要采用更优的方案设计。


方案2:将负温度系数的热敏电阻串联在电源部分的输入回路中,进行输入冲击电流抑制,输入回路串联热敏电阻RT后的方案示意图如图5所示。

图5 拷贝.jpg

为解决方案1固定电阻稳态发热严重和影响产品效率的问题,行业常用以上热敏电阻方案。电源设备刚启动时,热敏电阻还未发热,阻值较大,可进行输入冲击电流抑制,稳态工作后热敏阻值降低,发热量较小和对产品效率影响较小。

该方案具有热敏电阻发热量较小和对产品效率影响较小的优点,但是由于负温度热敏电阻特性为阻值随温度的降低而降低和阻值恢复时间较长,因此该方案存在的缺点有:

(1)高温环境工作启动时,热敏电阻阻值小,不能很好的抑制输入冲击电流;

(2)低温环境工作启动时,热敏电阻阻值大,可能会导致电源设备启动不良;

(3)电源设备开关机间隔时间较短情况下启动时,热敏电阻稳态工作阻值减小后还未恢复到较大的阻值,不能很好的抑制输入冲击电流。


方案3:将电阻器与电子开关并联后再串联在电源设备的输入回路中,并采用自动控制电路控制该电子开关是否与电源设备的输入回路接通,进行输入冲击电流的抑制。

输入回路串联电阻器、电子开关和控制电路后的方案示意图如图6所示。

图6 拷贝.jpg


为解决方案1和方案2的缺点,可采用以上方案3,该方案启动时,电子开关S1断开,电阻器R1进行输入冲击电流抑制,稳态工作时电子开关S1闭合,该方案的优点为:

(1)可有效抑制输入冲击电流,同时由于电阻器R1、电子开关S1和控制电路受温度影响较小,输入冲击电流抑制效果受温度的影响也较小;

(2)电阻器和电子开关损耗低、发热量小,对电源设备正常工作时的效率的影响较小;

(3)控制电路恢复时间快,电源设备开关机间隔时间较短时也能够有效抑制输入冲击电流。


方案4:将电子开关串联在电源设备的输入回路中,并采用自动控制电路控制电子开关的阻抗进行输入冲击电流的恒流控制,输入回路串联电子开关和控制电路后的方案示意图如图7所示。

图7 拷贝.jpg

为解决方案1和方案2的缺点,还可采用以上方案4,该方案除具有方案3的优点外,还具有的优点为:

(1)不使用电阻器R1,可降低系统设备的尺寸和成本。

(2)电子开关的阻抗采用恒流控制,受输入电压变压的影响较小。


综上,对于性能和可靠性等要求较高的应用场合,可选择方案3或4进行设计。


五、电源设备可靠性设计

电源设备的设计要求高可靠性,在环境的影响(如冷却、干热、交变湿热、振动、冲击等)、电磁兼容的影响(传导骚扰抗扰度、辐射干扰抗扰度、电快速瞬变脉冲群、电源过电压、浪涌、静电放电等)和其它影响条件下,电路特性和寿命设计等都有应用规格要求。

电源设备的可靠性主要从以下三个方面进行考虑:

1、设计可靠性:电路方案选型、降额设计、热设计、安规设计、EMC设计和PCB设计等进行可靠性设计;

2、原材料可靠性:失效率、MTBF、使用寿命等可靠性指标进行物料选型;

3、制造可靠性:可制造性、生产环境、生产人员等保障制造可靠性。


六、电源设备应用方案

以金升阳电源模块应用于铁路系统电力牵引控制单元为例,如图8所示。

图8 拷贝.jpg

采用铁路110VDC供电系统,经过输入冲击电流抑制电路、保护电路和EMC电路等为DC/DC电源模块供电,DC/DC电源电源模块将电压转换为3种不同的输出电压,输出电压再经过输出EMI电路为不同需求的负载进行供电。

板卡电源集成输入冲击电流抑制电路、EMC电路、保护电路(防反接、过欠压、过流、短路等),该板卡电源输出冲击电流可抑制到10A以内、功能齐全、满足铁标EN50155认证要求等,可满足系统应用需求,金升阳板卡电源如图9所示。

图9 拷贝.jpg

该板卡电源使用输入冲击抑制电路后的输入冲击电流波形如图10所示。

图10 拷贝.jpg

七、小结

电源设备在各行各业的广泛应用,对于高可靠性的电源设备离不开输入冲击电流抑制这个电路方案设计,我司可为客户提供配套的解决方案,针对铁路等行业应用还可提供系统方案设计的板卡电源,更好的满足客户应用需求,简化客户的产品开发和测试周期,综合提升系统的稳定性、安全性和可靠性。



详细产品技术参数请参考技术手册:
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URF1D03QB-50WR3 50 110(43-160) 3.3 1 3000VAC DIP 60.80*39.20*12.70
URF1D05QB-50WR3 50 110(43-160) 5 1 3000VAC DIP 60.80*39.20*12.70
URF1D12QB-50WR3 50 110(43-160) 12 1 3000VAC DIP 60.80*39.20*12.70
URF1D15QB-50WR3 50 110(43-160) 15 1 3000VAC DIP 60.80*39.20*12.70
URF1D24QB-50WR3 50 110(43-160) 24 1 3000VAC DIP 60.80*39.20*12.70
URF1D48QB-50WR3 50 110(43-160) 48 1 3000VAC DIP 60.80*39.20*12.70
URF1D05HB-150WHR3 150 110(43-160) 5 1 3000VAC DIP(带散热片) 62*58*31.8
URF1D05HB-150WHR3A5 150 110(43-160) 5 1 3000VAC DIP(带散热片) 135.00*70.00*40.40 -
URF1D05HB-150WR3 150 110(43-160) 5 1 3000VAC DIP 61*57.9*13.8
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URF1D48HB-250WR3 250 110(40-160) 48 1 3000VAC DIP 61*57.9*13.8
URF1D54HB-250WR3 250 110(40-160) 54 1 3000VAC DIP 61*57.9*13.8
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