直流電源浪涌電流抑制電路研究

［呂宏偉 覃波 付益］

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直流電源浪涌電流抑制電路研究

［呂宏偉 覃波 付益］

摘要

文章介紹了直流電源浪涌電流產(chǎn)生的原因及危害，并對傳統(tǒng)浪涌電流抑制電路進行分析，指出其局限性，并提出一種新型的基于MOSFET的浪涌電流抑制電路。該電路經(jīng)過實驗驗證，具備優(yōu)秀的浪涌電流抑制能力，最終成功應(yīng)用于航天星載開關(guān)電源中。

關(guān)鍵詞：浪涌電流 直流電源 抑制 MOSFET

呂宏偉

男，中國電子科技集團公司第三十四研究院，工程師，現(xiàn)從事光電子技術(shù)的研究。

覃波

中國電子科技集團公司第三十四研究所。

付益

中國電子科技集團公司第三十四研究所。

引言

所謂浪涌，是一種突發(fā)性瞬態(tài)電壓或者電流脈沖，是指電源接通瞬間，引起流入電源設(shè)備的峰值電壓或電流，此類電壓或者電流的脈沖寬度甚至可以短到納秒數(shù)量級。當(dāng)電源上電瞬間，由于加在濾波電容上的瞬態(tài)電壓很大，將引起很大的浪涌電流，這些濾波電容（包括外部電容和寄生電容）的作用相當(dāng)于一根短路線，產(chǎn)生上升很快的瞬時浪涌電流。浪涌電流的尖峰可能比穩(wěn)態(tài)電流大的多，如果浪涌電流不加以抑制，就很可能會燒毀保險絲，損壞連接器的引腳，因此電流尖峰和電流上升下降斜率必須被有效的控制。

通常以下幾種情況會引起浪涌電流產(chǎn)生[1]：

（1）電源開、關(guān)瞬間；

（2）同一電網(wǎng)中其他用電設(shè)備的開關(guān)動作；

（3）雷電感應(yīng)；

（4）電路中電子元器件的引腳接觸不良（如虛焊或者電連接頭松動等），造成電源時通時斷；

（5）電子元器件帶電插拔；

（6）電子元器件參數(shù)突變；

（7）示波器等檢測設(shè)備使用時探頭帶電；

（8）電烙鐵或人體靜電。

圖1為直流+28 V電源經(jīng)DC-DC電源模塊轉(zhuǎn)化成+5 V后給負(fù)載電路上電（未加抑制電路）的簡化示意圖，測試點1、2分別為+28 V、+5 V的浪涌電流測試點，測試工具為電流鉗（1 A/100 mV）、示波器等。圖2為測試點1、2處測試到的浪涌電流實測變化曲線，+28 V處峰值浪涌電流為4.19 A，+5V處峰值浪涌電流為3.44 A，而負(fù)載電路穩(wěn)定工作電流僅為200 mA左右，可見電路上電瞬間產(chǎn)生的浪涌電流對電源母線及電路自身安全是一個十分可怕的隱患。

圖1　電源供電示

圖2　電源上電瞬間產(chǎn)生的浪涌電流

1　傳統(tǒng)浪涌電流抑制電路分析

傳統(tǒng)的電子設(shè)備采用熔斷器作為浪涌電流抑制器[3]。熔斷器是在玻璃管中封裝的一根熔絲，熔絲的開斷時間與通過熔絲的電流幅度之間具有反時限的安-秒特性，即通過的電流幅值越大，開斷的時間越短，熔斷器是一次性器件，熔絲一旦燒斷，熔斷器就報廢了，這就大大限制了熔斷器作為浪涌電流抑制功能的應(yīng)用，尤其是在航空航天領(lǐng)域。現(xiàn)如今有一種能自重置的熔絲正在取代一次性熔絲，并在電子線路的浪涌保護中發(fā)揮作用，這種熔絲由聚合物載體充以導(dǎo)電微粒組成，在熔斷狀態(tài)下，導(dǎo)電微粒互相保持接觸，熔絲呈現(xiàn)低阻態(tài)，當(dāng)通過熔絲的電流接近某一個閾值時，熔絲的自身加熱引起導(dǎo)電微粒重新排列，互相之間失去約束，使熔絲表現(xiàn)為高阻態(tài)。但是從聚合物熔絲的工作原理可以看出，聚合物熔斷器的響應(yīng)時間較長，不適合作靈敏的、高速的浪涌電流抑制器。

使用大電感或者是和電容串聯(lián)電阻來抑制浪涌電流[2]，如圖3。大電感帶來的問題是電源的體積增大和重量增加，而串聯(lián)電阻造成電源轉(zhuǎn)換效率降低。為了克服串聯(lián)電阻帶來的功率損失，許多設(shè)計者在電阻兩端并聯(lián)一個開關(guān)（半導(dǎo)體器件或者是繼電器）。繼電器的尺寸和重量取決于工作電流，而且必須設(shè)計特定的控制電路來控制繼電器的通斷，增加了電路的復(fù)雜度，從一定程度上也降低了電源的可靠性。在一些場合中也可以在電阻兩端并聯(lián)半導(dǎo)體器件，如SCR。這些器件的使用也帶來體積過大以及功耗較大的問題，同時還要設(shè)計專門的控制電路來控制SCR的通斷，因此增加了電路的復(fù)雜性并降低了電路的可靠性。

圖3　傳統(tǒng)抑制浪涌電流的方法

2　新型浪涌電流抑制電路的設(shè)計

本文提出一種新型的浪涌電流抑制電路。該電路采用MOSFET配合其它外圍電路來實現(xiàn)浪涌電流的抑制。之所以選擇MOSFET來抑制浪涌電流，主要是由于其具備如下特點：

（1）MOSFET是多子壓控型器件，具有很快的開關(guān)速度；

（2）開關(guān)損耗小；

（3）柵極驅(qū)動方式簡單；

（4）RDS低，因此在MOSFET導(dǎo)通狀態(tài)下，漏-源極之間導(dǎo)通壓降也較低，一定程度上提高電源效率。

以MOSFET管NTMD6N03R2為例，MOSFET的開關(guān)速度取決于輸入電容充放電的速度，從MOSFET的柵極電荷轉(zhuǎn)移特性曲線（見圖4）可以看出，當(dāng)柵源電壓VGS上升并保持在 Vplt（產(chǎn)品手冊中可查到）時，漏源電壓從VDS迅速下降到10％位置之后，緩慢下降到Vdss，從RDS與ID關(guān)系曲線（見圖5）中可以看出，內(nèi)阻RDS變化非常微小，可以忽略不計，此時IDS幾乎保持不變，dVDS/dt得到了很好的控制。因此，采用MOSFET管作為浪涌電流抑制的核心器件主要就是利用利用了MOSFET在VGS上升并保持在 Vplt過程中對dVDS/dt很好的控制能力這個功能。

圖6所示電路為直流+28V電源浪涌抑制電路，其中MOSFET M1被置于電路的回路中，經(jīng)過抑制后的浪涌最大電流取決于電路R5、R67并聯(lián)后的阻值與電容C1、C24串聯(lián)后容值的乘積(阻、容值需依據(jù)實際情況經(jīng)試驗測試確定)，電阻R7的功能是對+28 V輸入電壓進行分壓，使得M1的柵-源電壓VGS不會超限而導(dǎo)致器件損壞，穩(wěn)壓二極管V1的功能是限制M1的柵-源電壓由于輸入+28V電源不穩(wěn)定而導(dǎo)致VGS超限，從而損壞器件。

圖4　RDS與ID關(guān)系曲線[4]

圖5　MOSFET柵極電荷轉(zhuǎn)移特性曲線[4]

如7所示電路為直流+5V電源浪涌抑制電路，其工作原理同樣是利用MOSFET電荷轉(zhuǎn)移特性，通過控制VGS的打開時間來實現(xiàn)浪涌電流抑制，區(qū)別只是MOSFET的選型和阻容數(shù)值的匹配。

圖6　+28V直流電源浪涌抑制電路

圖7　+5V直流電源浪涌抑制電路

3　實驗結(jié)果

按照圖6、圖7所示電路設(shè)計，DC-DC模塊采用Interpoint公司航天標(biāo)準(zhǔn)電源，按圖1所示連接方式連接，同樣在圖2所示中兩個測試點測試?yán)擞侩娏鳎?28 V的浪涌電流為0.7 A（見圖8），為浪涌抑制前4.19 A的16.7％，+5 V的浪涌電流為0.34 A（見圖9），為浪涌抑制前3.44 A的9.8％，取得了很好的抑制效果。

圖8　+5V抑制后浪涌電流

圖9　+28V抑制后浪涌電流

4　結(jié)論

本文針對直流電源在上電瞬間會產(chǎn)生浪涌沖擊電流的現(xiàn)象，分析了傳統(tǒng)抑制浪涌電流方法的局限性，提出了一種基于自驅(qū)動MOSFET的新型浪涌抑制電路，通過實驗驗證了該電路的可行性和實用性，并最終將該電路成功應(yīng)用于航天××項目星載開關(guān)電源中，在一系列嚴(yán)苛工作條件下，其工作狀態(tài)正常，表現(xiàn)優(yōu)秀，有效抑制了浪涌電流對系統(tǒng)的影響。

參考文獻(xiàn)

1劉澄.半導(dǎo)體激光器的浪涌損壞及消除方法[J].電力環(huán)境保 護,2003,19(4):49-61

2張乾,王衛(wèi)國.星載開關(guān)電源浪涌電流抑制電路研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2008,12:82-84

3谷金宏.電子線路的浪涌保護[J].河南師范大學(xué)學(xué)報,2001,29(4):40-42

4NTMD6N03R2芯片資料.http://onsemi.com//NTMD6N03R2芯片資料

收稿日期：（2015-12-30）

DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2016.03.018