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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(ri)常生活中使用(yong)(yong)的各(ge)种家用(yong)(yong)电(dian)器(qi),以及(ji)(ji)乘坐的汽车和火车等交通工具都是电(dian)源的广泛应用(yong)(yong),而且电(dian)源设备在军工及(ji)(ji)航空航天等特殊行业中也(ye)有着极其广泛的应用(yong)(yong)。

为(wei)保证电源(yuan)设(she)(she)备(bei)稳定工作不被干扰(rao),需要在(zai)电源(yuan)设(she)(she)备(bei)的(de)(de)(de)输(shu)入端并联电容。同时(shi)为(wei)实现(xian)电源(yuan)设(she)(she)备(bei)的(de)(de)(de)输(shu)入过(guo)载(zai)保护,还会(hui)在(zai)电源(yuan)设(she)(she)备(bei)的(de)(de)(de)输(shu)入端串联保险丝(si)或断(duan)路器(qi)等。由(you)于输(shu)入电容的(de)(de)(de)存在(zai),电源(yuan)设(she)(she)备(bei)在(zai)启动过(guo)程(cheng)中将会(hui)产生(sheng)较大的(de)(de)(de)输(shu)入冲(chong)(chong)击电流,可(ke)能会(hui)导致保险丝(si)熔断(duan)或断(duan)路器(qi)跳闸等问题。本(ben)文将从电源(yuan)设(she)(she)备(bei)输(shu)入冲(chong)(chong)击电流抑(yi)制方(fang)(fang)案的(de)(de)(de)设(she)(she)计与应用,给(ji)出可(ke)靠的(de)(de)(de)解决方(fang)(fang)案。


二、输入冲(chong)击电(dian)流的产生原因

输入冲击电流产生路径如(ru)图1所示。

图1 拷贝.jpg

供电(dian)(dian)系统启动(dong)时(shi),输(shu)(shu)入(ru)(ru)电(dian)(dian)压(ya)Vin快速升高,输(shu)(shu)入(ru)(ru)电(dian)(dian)压(ya)Vin通过输(shu)(shu)入(ru)(ru)等(deng)效阻抗(kang)Rin对输(shu)(shu)入(ru)(ru)等(deng)效大(da)电(dian)(dian)容Cin进行充(chong)电(dian)(dian)。输(shu)(shu)入(ru)(ru)回路(lu)(lu)没有使用输(shu)(shu)入(ru)(ru)冲(chong)击电(dian)(dian)路(lu)(lu)抑制电(dian)(dian)路(lu)(lu)时(shi),由于输(shu)(shu)入(ru)(ru)等(deng)效阻抗(kang)Rin主(zhu)要(yao)为PCB走(zou)线阻抗(kang)、EMC电(dian)(dian)路(lu)(lu)中共模/差(cha)模电(dian)(dian)感阻抗(kang)和端(duan)口连接阻抗(kang)等(deng),输(shu)(shu)入(ru)(ru)等(deng)效阻抗(kang)Rin相(xiang)对较(jiao)小(相(xiang)对于输(shu)(shu)入(ru)(ru)冲(chong)击电(dian)(dian)路(lu)(lu)抑制电(dian)(dian)路(lu)(lu)的阻抗(kang)可忽略不计),将导(dao)致较(jiao)大(da)的输(shu)(shu)入(ru)(ru)冲(chong)击电(dian)(dian)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(ru)冲(chong)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(tong)框(kuang)图如图3所示。

图3 拷贝.jpg

输入冲击电流过大(da)将会导致输入端保险丝(si)熔断(duan)(duan)或断(duan)(duan)路器跳闸等(deng)问题,对于高可靠性要求的行业应用,进(jin)行输入冲击电流抑制必不可少(shao)。


四、电路方案对比

为了有效抑制输入冲击电流,行业内常采(cai)用的方案(an)有以下几(ji)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(dian)系统开始供电(dian)时(shi),输入(ru)等效(xiao)大电(dian)容Cin电(dian)压较(jiao)小,输入(ru)冲击(ji)(ji)电(dian)流最(zui)大为(wei),为(wei)有(you)效(xiao)抑(yi)制(zhi)输入(ru)冲击(ji)(ji)电(dian)流,串(chuan)联电(dian)阻器R1需要较(jiao)大的阻值,电(dian)源设备稳定工作(zuo)时(shi),将(jiang)有(you)持(chi)续的电(dian)流流过电(dian)阻器R1,电(dian)阻器R1存在(zai)发(fa)热严(yan)重和影响产品效(xiao)率的缺点。

以输入(ru)电(dian)(dian)(dian)压Vin=110VDC,输出(chu)(chu)功(gong)(gong)率Po=100W,产品效率ƞ=93%,需(xu)求(qiu)输入(ru)冲击电(dian)(dian)(dian)流(liu)Iin≤10A为(wei)例(li),可(ke)计算出(chu)(chu)电(dian)(dian)(dian)阻器(qi)R1取(qu)值为(wei),稳(wen)态工作时电(dian)(dian)(dian)阻器(qi)R1的(de)(de)(de)输入(ru)电(dian)(dian)(dian)流(liu),电(dian)(dian)(dian)阻器(qi)R1的(de)(de)(de)损耗。考(kao)虑到电(dian)(dian)(dian)阻器(qi)的(de)(de)(de)尺寸(cun)和温升(sheng)等(deng),一般需(xu)要电(dian)(dian)(dian)阻器(qi)R1的(de)(de)(de)损耗小(xiao)于(yu)1W,即对于(yu)输出(chu)(chu)功(gong)(gong)率小(xiao)于(yu)30W的(de)(de)(de)小(xiao)功(gong)(gong)率电(dian)(dian)(dian)源(yuan)设(she)(she)备(bei)可(ke)考(kao)虑使(shi)用此方案,对于(yu)较大功(gong)(gong)率的(de)(de)(de)电(dian)(dian)(dian)源(yuan)设(she)(she)备(bei)需(xu)要采用更(geng)优的(de)(de)(de)方案设(she)(she)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(wei)解决方(fang)案(an)1固定电阻(zu)稳(wen)态(tai)发热(re)严重(zhong)和影(ying)响(xiang)产品效率(lv)的问(wen)题,行业常用以上热(re)敏电阻(zu)方(fang)案(an)。电源设备(bei)刚启动(dong)时,热(re)敏电阻(zu)还未(wei)发热(re),阻(zu)值(zhi)较大,可进(jin)行输入冲击(ji)电流抑制,稳(wen)态(tai)工作后热(re)敏阻(zu)值(zhi)降低,发热(re)量较小(xiao)和对产品效率(lv)影(ying)响(xiang)较小(xiao)。

该(gai)(gai)方案(an)具有热(re)敏(min)电(dian)阻(zu)发热(re)量较(jiao)小(xiao)和(he)对产品效(xiao)率影响(xiang)较(jiao)小(xiao)的优(you)点(dian),但是由于(yu)负温度热(re)敏(min)电(dian)阻(zu)特性为(wei)阻(zu)值随(sui)温度的降(jiang)低(di)而降(jiang)低(di)和(he)阻(zu)值恢复时间较(jiao)长,因此该(gai)(gai)方案(an)存在的缺点(dian)有:

(1)高温环境工作启动时,热敏电阻(zu)阻(zu)值小,不能很好的(de)抑制输入冲击电流;

(2)低温环境工作启动(dong)时(shi),热敏电阻阻值大,可能会导(dao)致电源设(she)备启动(dong)不良(liang);

(3)电源设备(bei)开关机间隔时(shi)间较短情况下启动时(shi),热敏电阻(zu)稳态工作(zuo)阻(zu)值减小后还未(wei)恢(hui)复到较大的阻(zu)值,不(bu)能很好的抑制输入(ru)冲(chong)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(shu)入回路(lu)串联电(dian)阻(zu)器、电(dian)子(zi)开关和控制电(dian)路(lu)后的方案示(shi)意图(tu)如图(tu)6所示(shi)。

图6 拷贝.jpg


为(wei)解决方案(an)(an)1和方案(an)(an)2的(de)缺点(dian),可采用以上方案(an)(an)3,该方案(an)(an)启动(dong)时,电(dian)子(zi)开关S1断开,电(dian)阻器R1进(jin)行输(shu)入冲击(ji)电(dian)流(liu)抑(yi)制,稳态工(gong)作时电(dian)子(zi)开关S1闭合,该方案(an)(an)的(de)优点(dian)为(wei):

(1)可有效(xiao)抑(yi)制(zhi)输入(ru)冲(chong)击(ji)电(dian)流,同(tong)时(shi)由于电(dian)阻器R1、电(dian)子开关(guan)S1和控制(zhi)电(dian)路(lu)受温度影响(xiang)较小,输入(ru)冲(chong)击(ji)电(dian)流抑(yi)制(zhi)效(xiao)果受温度的影响(xiang)也较小;

(2)电(dian)阻器和电(dian)子(zi)开关损耗(hao)低、发热量(liang)小,对电(dian)源设备正常工作时的(de)效(xiao)率(lv)的(de)影(ying)响(xiang)较(jiao)小;

(3)控(kong)制电路恢(hui)复时间(jian)快,电源设备开关机间(jian)隔(ge)时间(jian)较短时也(ye)能够有效(xiao)抑制输入(ru)冲击(ji)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(wei)解决方(fang)案(an)(an)1和(he)方(fang)案(an)(an)2的缺点(dian)(dian),还(hai)可采(cai)用(yong)以上方(fang)案(an)(an)4,该方(fang)案(an)(an)除具(ju)有方(fang)案(an)(an)3的优(you)(you)点(dian)(dian)外,还(hai)具(ju)有的优(you)(you)点(dian)(dian)为(wei):

(1)不使用电阻器R1,可降低系(xi)统设备的尺寸和成本。

(2)电子开关的(de)(de)阻(zu)抗(kang)采用恒流控制(zhi),受输入(ru)电压变压的(de)(de)影(ying)响(xiang)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(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源设备(bei)的设计(ji)要(yao)求(qiu)高可靠(kao)性(xing)(xing),在环境的影响(如冷却(que)、干热(re)(re)、交变湿热(re)(re)、振动、冲击等(deng))、电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)磁兼容的影响(传导骚扰(rao)抗扰(rao)度(du)、辐射干扰(rao)抗扰(rao)度(du)、电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)快速瞬变脉(mai)冲群、电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源过电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压、浪涌、静(jing)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)放电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)等(deng))和(he)(he)其(qi)它影响条件(jian)下,电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)特性(xing)(xing)和(he)(he)寿命设计(ji)等(deng)都(dou)有应(ying)用(yong)规格要(yao)求(qiu)。

电源设备的可靠性(xing)主(zhu)要(yao)从以下三个方面(mian)进(jin)行考虑:

1、设(she)计(ji)可(ke)靠(kao)性:电路方案选型(xing)、降额设(she)计(ji)、热设(she)计(ji)、安(an)规设(she)计(ji)、EMC设(she)计(ji)和PCB设(she)计(ji)等进行(xing)可(ke)靠(kao)性设(she)计(ji);

2、原材料(liao)可靠(kao)性:失(shi)效(xiao)率、MTBF、使用寿命等可靠(kao)性指标进(jin)行物(wu)料(liao)选型;

3、制(zhi)造可(ke)靠(kao)性:可(ke)制(zhi)造性、生产环境、生产人员(yuan)等保(bao)障制(zhi)造可(ke)靠(kao)性。


六、电源设备应用方案

以(yi)金升(sheng)阳(yang)电源模块应用于铁路系统电力牵(qian)引控制单元为(wei)例,如(ru)图8所示。

图8 拷贝.jpg

采用铁(tie)路110VDC供电(dian)(dian)系统,经过输(shu)(shu)入冲击(ji)电(dian)(dian)流(liu)抑(yi)制电(dian)(dian)路、保护电(dian)(dian)路和EMC电(dian)(dian)路等为(wei)DC/DC电(dian)(dian)源模块供电(dian)(dian),DC/DC电(dian)(dian)源电(dian)(dian)源模块将电(dian)(dian)压转换为(wei)3种不同(tong)(tong)的(de)输(shu)(shu)出(chu)电(dian)(dian)压,输(shu)(shu)出(chu)电(dian)(dian)压再经过输(shu)(shu)出(chu)EMI电(dian)(dian)路为(wei)不同(tong)(tong)需求的(de)负载(zai)进行供电(dian)(dian)。

板(ban)卡(ka)电(dian)(dian)源集成(cheng)输(shu)入冲(chong)击电(dian)(dian)流抑制(zhi)电(dian)(dian)路(lu)、EMC电(dian)(dian)路(lu)、保护电(dian)(dian)路(lu)(防反(fan)接、过欠压、过流、短路(lu)等),该(gai)板(ban)卡(ka)电(dian)(dian)源输(shu)出冲(chong)击电(dian)(dian)流可(ke)抑制(zhi)到10A以内、功能齐全、满足铁标EN50155认(ren)证要求(qiu)等,可(ke)满足系统应用需求(qiu),金升(sheng)阳板(ban)卡(ka)电(dian)(dian)源如图9所示。

图9 拷贝.jpg

该板卡电(dian)源使用输(shu)(shu)入冲击抑(yi)制电(dian)路(lu)后的输(shu)(shu)入冲击电(dian)流波形如图10所示。

图10 拷贝.jpg

七、小结

电源设(she)备在各行各业的(de)广泛应(ying)用(yong),对于(yu)高可(ke)靠性的(de)电源设(she)备离(li)不(bu)开输入冲击电流抑制(zhi)这个电路(lu)方(fang)(fang)案设(she)计,我(wo)司可(ke)为客户提供配套的(de)解决方(fang)(fang)案,针对铁路(lu)等行业应(ying)用(yong)还可(ke)提供系统方(fang)(fang)案设(she)计的(de)板卡电源,更好(hao)的(de)满足客户应(ying)用(yong)需求,简化客户的(de)产品(pin)开发和测试周期,综合(he)提升系统的(de)稳定(ding)性、安全性和可(ke)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
URF1D05HB-150WR3A5 150 110(43-160) 5 1 3000VAC DIP 135.00*70.00*22.40 -
URF1D12HB-150WHR3 150 110(43-160) 12 1 3000VAC DIP(带散热片) 62*58*31.8
URF1D12HB-150WHR3A5 150 110(43-160) 12 1 3000VAC DIP(带散热片) 135.00*70.00*40.40 -
URF1D12HB-150WR3 150 110(43-160) 12 1 3000VAC DIP 61*57.9*13.8
URF1D12HB-150WR3A5 150 110(43-160) 12 1 3000VAC DIP 135.00*70.00*22.40 -
URF1D15HB-150WHR3 150 110(43-160) 15 1 3000VAC DIP(带散热片) 62*58*31.8
URF1D15HB-150WHR3A5 150 110(43-160) 15 1 3000VAC DIP(带散热片) 135.00*70.00*40.40 -
URF1D15HB-150WR3 150 110(43-160) 15 1 3000VAC DIP 61*57.9*13.8
URF1D15HB-150WR3A5 150 110(43-160) 15 1 3000VAC DIP 135.00*70.00*22.40 -
URF1D24HB-150WHR3 150 110(43-160) 24 1 3000VAC DIP(带散热片) 62*58*31.8
URF1D24HB-150WHR3A5 150 110(43-160) 24 1 3000VAC DIP(带散热片) 135.00*70.00*40.40 -
URF1D24HB-150WR3 150 110(43-160) 24 1 3000VAC DIP 61*57.9*13.8
URF1D24HB-150WR3A5 150 110(43-160) 24 1 3000VAC DIP 135.00*70.00*22.40 -
URF1D48HB-150WHR3 150 110(43-160) 48 1 3000VAC DIP(带散热片) 62*58*31.8
URF1D48HB-150WHR3A5 150 110(43-160) 48 1 3000VAC DIP(带散热片) 135.00*70.00*40.40 -
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URF1D05HB-250WR3 250 110(40-160) 5 1 3000VAC DIP 61*57.9*13.8
URF1D12HB-250WR3 250 110(40-160) 13 1 3000VAC DIP 61*57.9*13.8
URF1D15HB-250WR3 250 110(40-160) 15 1 3000VAC DIP 61*57.9*13.8
URF1D24HB-250WR3 250 110(40-160) 24 1 3000VAC DIP 61*57.9*13.8
URF1D40HB-250WR3 250 110(40-160) 40 1 3000VAC DIP 61.00*57.90*13.80 -
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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