输入浪涌电流抑制模块在AC-DC变换器的应用
开关输入浪涌抑制及优化设计
开关输入浪涌抑制及优化设计姚旭升;陈涛【摘要】针对设备开关机时由于负载阶跃而出现的电压浪涌现象,提出一种用于DC-DC变换器的带过流保护功能的浪涌抑制电路.该电路不仅能够抑制上电过程中出现的浪涌电压,还具有输入过欠压保护及过流保护的功能.为了更灵活地选择开关,设计了2种通过控制主回路MOSFET的通断来导通关闭电路的方案并对电路原理进行了分析.试验结果表明,浪涌抑制电路及开关控制电路都能够满足直流变换电路的使用要求,具有很强的有效性和实用性.【期刊名称】《无线电工程》【年(卷),期】2018(048)009【总页数】4页(P799-802)【关键词】浪涌抑制;DC-DC;过流保护;开关控制【作者】姚旭升;陈涛【作者单位】卫星导航系统与装备技术国家重点实验室,河北石家庄050081;卫星导航系统与装备技术国家重点实验室,河北石家庄050081【正文语种】中文【中图分类】TN7090 引言随着通信、计算机和工业自动化等行业的发展，电源技术也在不断发展。
目前,DC-DC变换模块电路应用广泛，各项性能指标比较完善，但在整机设备开关过程中经常会遇到意外的电压瞬变和浪涌，造成整机的故障。
故障的主要原因是直流变换电路中的集成芯片等器件的耐压应力有限，在开关瞬间被高压击穿。
为了解决设备开关机时的电压浪涌问题，工程上一般采用吸收器件或无源保护电路来抑制电压浪涌[1-3]，其特点是结构简单，电路容易实现，但受器件功率的限制，浪涌抑制电路的功率一般较小[4-5]，若要满足大功率设备的需求，则需要采用有源保护电路。
本文以开机浪涌电压抑制为主题展开论述，分析目前常用的DC-DC变换电路中采用吸收器件的解决方案，并提出更高效可靠的有源保护电路方案，通过试验波形验证方案的可行性。
最后介绍了2种更灵活的开关选择实用电路，在实际工程中进行了应用。
1 浪涌抑制电路原理与分析1.1 常规抑制电路原理由于浪涌电压持续时间有限(几μs～几百ms)[6]，能量有限，因此一般采用吸收器件的方法解决。
安时捷科技AC-DC电源模块的输入保护滤波电路及防雷处理
AC/DC电源模块的输入保护滤波电路及防雷处理
AC/DC模块电源大部分损坏来自于电网浪涌和雷击，所以防浪涌和雷处理对于AC/DC模块来说非常重要。
一般的浪涌电压抑制器件基本上可以分为两大类型。
第一种类型为撬棒（Crow bar）器件。
常用的撬棒器件如气体放电管。
另一种类型为箝位保护器，即保护器件在击穿后，其两端电压维持在击穿电压上不在上升，以箝位的方式起到保护作用。
常用的箝位保护器是氧化锌压敏电阻（MOV），瞬态电压抑制二极管（TVS）等。
三种产品各有优势，TVS残压低，动作精度高，反应时间快。
为PS级（<1ns）,无跟随电流，但流通电流小，所以我们不推荐在AC/DC模块中单独应用TVS。
氧化锌压敏电阻通流容量大，残压较低，反应时间较快，为nS级（≤25ns），无跟随电流，但受温度影响较大，易老化。
成本也较低。
由于压敏电阻的不稳定性，长时间高温应用会造成漏电流增加，廉价劣质的压敏电阻，还可能会发热爆炸。
为解决这一问题在压敏电阻之间串入气体放电管，但这也付出了反应速度变长的代价。
（反应时间为个器件的反应时间之和。
）气体放电管通流量容量大，绝缘电阻高，漏电流小，但残压较高，反应时间慢（≤300ns），动作电压精度较低，有跟随电流，成本相对较高，对于高可靠的场合，我们推荐采用瞬态电压抑制二极管（TVS）与氧化锌压敏电阻结合的方式。
开机浪涌电流抑制模块在通信用DCDC变换器的应用
开机浪涌电流抑制模块在通信用DC/DC变换器的应用作者：陈国治杨海如来源：《无线互联科技》2013年第10期摘要：分析了电容输入式滤波通信用DC/DC变换器上电时对48V直流母线的浪涌电流冲击、电压跌落及危害，介绍了常规解决办法及存在的问题，提出一种实用解决方案。
关键词：电压跌落；浪涌电流；DC/DC变换器1 开机浪涌电流和母线电压跌落目前，考虑到体积，成本，技术指标等因素，大多数通信用DC/DC变换器输入滤波采用LC输入滤波方式，因为48V母线电压上的杂波较少，所以滤波电感L1的电感量较小，电路原理如图1所示。
由于电容器上电压不能跃变，在DC/DC变换器插入机架上电之初，滤波电容电压几乎为零，等效为输出端短路，输入浪涌电流远高于整流器工作时的电流。
如图2所示。
如果电源内阻比较小，容量为470μF滤波电容，第一个电流峰值会超过50A，为正常工作电流峰值的数倍。
浪涌电流会造成48V直流母线电压波形跌落，供电质量变得很差，并接在母线上的同坐设备会受到影响，而且会使保护电路动作；为避免浪涌电流冲击DC/DC变换器的输入熔断器，可以选用更高电流容量的熔断器，但会出现过载时熔断器不可以熔断，从而起不到保护DC/DC变换器及其他电电路的现象；上电浪涌电流过高对DC/DC变换器和48V直流母线会造成破坏。
因此，必须限制电容滤波的整流器输入浪涌电流。
2 上电浪涌电流的限制限制上电浪涌电流最有效的方法是，在48V直流母线与滤波电容器之间加一负温度系数热敏电阻（NTC），如图3所示。
为了限制上电浪涌电流，利用负温度系数热敏电阻，来减小NTC上的损耗，但是存在问题，因为NTC的初始温度和在环境温度会影响上电浪涌电流的性能。
在彩色电视机和显示器上，采用串一限流电阻来限制上电浪涌电流，电路如图4所示。
最常见的应用是彩色电视机，这种方法的简单，可靠性高，工作境温度范围要求比较宽，缺点是限流电阻上有损耗，电源效率降低了。
事实上DC/DC变换器因为输入电压较低（48V），输入电流较大，当DC/DC变换器达到工作稳态后，限流电阻已经不起限流作用，起到发热、消耗功率的负作用，因此，DC/DC变换器的功率较大时，采用上电后，延时一段时间，然后用一机械触点短路限流电阻，如图5所示。
过欠压、过流、过温、软启动、CNT保护实际电路详解!
输出过压保护电路当用户在使用电源模块时，可能会由于某种原因，造成模块输出电压升高，为了保护用户电路板上的器件不被损坏，当模块的输出电压高于一定值时，模块必须封锁脉冲，阻止输出电压的继续上升。
D320产生一个5.1V电压基准送至运放U301反相输入端，R330、R334、R336用于检测输出电压、检测电压值送至运放U301同相输入端。
输出电压没有达到过压保护点时，运放U301 5脚的电压小于6脚的电压，运放输出为低电平，输出正常。
输出电压Vo升高到设定检测点电压时，电阻R336、R334、R330检测的分压比送入运放U301的5脚，此时5脚电压高于6脚电压，运放U301输出高电平，封闭控制芯片PWM信号，模块输出电压为零。
过流保护电路实例（1）图2.过流保护电路实例工作原理T2采集模块原边开关管的输入电流，采样电流经取样电阻R18转换成电压信号，再经两路开关二极管（D6）整流形成两路控制信号。
一路峰值信号去控制38C43的3脚；另一路准峰值电平进入38C43 EA的反相输入端2脚。
采用CT作电流采样的好处是采样电路功耗小，采样电路灵活，CT可以放置在MOSFET开关管的D极或S极，也可以串联于主变压器原边的Vin+端。
缺点是电路稍复杂，体积大，CT存在大占空比时不能有效复位的问题。
CT采样一般用于中大功率的模块。
3843PWM芯片介绍图3.3843芯片内部结构图芯片工作原理虚线所框部分为38C43芯片内置的误差放大器和电流放大器。
误差放大器的输出经过内部分压后（被钳位到1V），进入电流放大器的反相输入端，与电流采样信号比较后进入PWM产生电路。
最终在芯片的6脚输出PWM信号。
在这里，误差放大器被用来作OCP保护，电流控制放大器I/A作峰值电流限流保护。
误差放大器E/A用于准峰值限流。
当38C43反相输入端2脚的直流电平达到2.5V时，误差放大器E/A起作用，使38C43的6脚输出驱动信号占空比D减小，达到模块OCP之目的。
开机浪涌电流抑制模块在通信用DC／DC变换器的应用
图５ 短接 电阻的方式一 机械触 点短接
３ 上电浪 涌抑 制模 块
将功 率电子开关一 Ｍ Ｏ Ｓ Ｆ Ｅ Ｔ 与控 制电路封 装在～个相对 很小
￣５ ｏ ｏ ｗ 以下为２ ５ ｍ ｍ Ｘ２ ５ ｍ ｍ Ｘ ｌ ｌ ｍ ｍ ） 中， 引出３ 个引脚 ， 外 了限制 上电浪涌 电流， 利用负温 度系数热敏 电阻， 来减ｄ ￣ Ｎ Ｔ Ｃ 上 的模块 （ 接 电路如 图６ 所 示。 Ｄ Ｃ ／ Ｄ Ｃ 变换器上电后最初一段时间， 外接限
上电浪涌电流抑制模 块的工作原理：
日圜目圆
４ １
・
通 信观 察
４ ８ Ｖ母 线 ＋
４ ８ Ｖ母 线一
图 ６ 上 电浪 涌 电流 抑 制 模 块
图７ 是Ｎ 沟 道场 效应管 的漏极特 性 曲线 ，曲线分 为三个 部
分， 夹 断区、 恒流 区、 可 变电阻区。 在可变 电阻区时， Ｉ Ｄ － ￣Ｖ － ｏ ｓ 的 几乎成线性 比例， 其变化值受Ｖ 控制 ， 而Ｄ 、 Ｓ 问的电阻为线型 变化 。 使 场效应管在可 变电阻区工作 一段 时间， 可 以除浪 涌电
Ｎ Ｔ Ｃ Ｉ１
．Leabharlann 图１ 电容输入式滤波电路
、
４ ８ Ｖ 母线 ＋
母 线 电压
ｌ ／
ｔ
螂线
普通 电阻 Ｌ １
工
图３ 利用Ｎ Ｔ ｃ 抑制上电浪涌电流
４ ８ Ｖ 母线 ＋
１
ｔ
４ ８ Ｖ 母 线
图２ 上 电后输入浪涌电流 浪涌 电流会 造成４ ８ Ｖ 直流母线 电压波 形跌落 ， 供 电质 量变
通信观察 ・
开机浪涌 电流抑制模块 在通信用ＤＣ ／ ＤＣ 变换器的应用
浅析开关输入浪涌抑制及优化设计
工业技术科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald85DOI：10.16660/ki.1674-098X.2020.11.085浅析开关输入浪涌抑制及优化设计魏焕然 张梓威(中国电子科技集团公司光电研究院 天津 300000)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 优化设计中图分类号：TN702 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2020)04(b)-0085-02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。
航天服浪涌抑制电路设计和应用研究
设计与应用・220・计算机测量与控制.2021. 29 ( 3)Computer Measurement & Control文章编号：1671 - 4598(2021)03 - 0220 -04DOI ： 10. 16526/j. cnki. 11 — 4762/tp. 2021. 03. 043中图分类号:V443文献标识码：A航天服浪涌抑制电路设计和应用研究姚丽坤，姚 飞，付宗宝，田长盛，李 冰(中国航天员科研训练中心，北京100094)摘要：为解决航天服电源带载切换瞬间浪涌抑制功能失效问题，提出一种改进的浪涌电流抑制方法，增加MOS 管栅极电压 快速泄放通道，设计相对独立的充电电路和放电电路，通过分析计算确定各阻容元件的参数值；仿真计算结果表明，MOS 管栅极电压泄放时间由48.55 ms 减小为554 5 M s ，充满电时间由90 ms 变为42 ms ，放电时间加快，而充电时间相对稳定；经实验测试，电源初始加电及电源切换加电瞬间，浪涌电流峰值均不大于3 A ，两种工况下浪涌电流都能得以抑制；改进后的浪涌抑制电 路有效地解决了带载切换过程中浪涌电流过大的问题，能够很好地应用于航天服的供电系统中。
关键词：航天服；浪涌抑制；电源切换；峰值电流；充电电路；放电电路Design and Application Research of Surge SuppressionCircuit for SpacesuitYao Likun ， Yao Fei ， Fu Zongbao ， Tian Changsheng ， Li Bing(China Astronaut Research and Training Center ，Beijing 100094， China )Abstract : In order to solve the problem that the surge suppression function failed at the moment of spacesuit power switchingwith load ，an improved method for surge suppression was proposed. The fast discharge path of MOS gate voltage was added ，the rela tively isolated charging circuit and discharging circuit were designed ，and the parameters of resistance and capacitance were determined through analysis and calculation. The simulation and calculation results showed that the discharge time of MOS gate voltage was re duced from 48. 55 ms to 554. 5 y s ，and the charge time was changed from 90 ms to 42 ms ，the discharge time was accelerated whilethe charge time was stable. The test results showed that the peak current was no more than 3Aat the moment of initial power on andpower switching ，which indicated that the surge current could be suppressed under both conditions. The improved surge suppression circuit could effectively solve the problem of excessive surge current in power switching with load ，and could be applied to the power suppysystem ofspacesuit.Keywords : spacesuit ； surge suppression ； power switching ； peak current ； charging circuit ； discharging circuito 引言航天服一次供电采用28 V 直流供电，有两路独立的供 电电源，为防止后端负载短路造成整个电源短路，供电电源采取了过流保护措施［1］«两路电源切换由航天员在轨操作手动控制开关实现，为减小航天员在轨着服加压操作难 度，同时考虑电子产品技术成熟性，对不影响航天员生命安全的传感器、数据处理机、显示器等用电设备，不设置 单独的供电开关，而是由总电源开关进行设备加、断电控 制。
超全电源模块AC-DC应用指南!!!
超全电源模块AC-DC应用指南！！！前言在使用电源模块前，需特别注意以下警告及注意事项，不正确的安装操作和使用产品可能会发生触电、模块损坏或者着火等危险情况，请仔细阅读并确认相关警告及注意事项。
注意事项1：电源模块需轻拿轻放，避免撞击或跌落造成产品损坏；2：禁止拆开产品外壳，禁止触摸电源内部任何器件，以避免产品遭受静电、器件应力等易损坏的情况；3：电源模块通电后，不要靠近模块或触摸外壳，避免模块异常工作时可能对身体造成伤害；4：在产品通电之前，请确认并严格按照产品技术手册，正确连接产品的输入、输出引脚；5：AC-DC电源模块属于一次性精密电源，在应用时需确认符合相应的安全规范要求；6：电源模块的输入端有高压危险，人体接触会造成致命危险，必须保证终端用户无法接触到输入端口（L,N），设备制造商还必须保证模块输入、输出不易被服务工程师短路或被工程遗落的金属部件短路；7：相关应用电路和参数仅供参考，在完成应用电路设计之前必须对参数和电路进行验证；8：电源模块在空载或轻载工作状态时，模块内部如有轻微响声，属于正常现象；9：若长期不用的情况下，建议客户只是每隔半年开机工作1小时左右，以保证产品的正常使用寿命和应用可靠性；10：常规AC-DC电源模块产品不适合长期工作在高温环境下，如CPU、电机、发热量大的器件等；如必须这样使用，建议使用更高强度的产品，或者1~2年定期更换新品,以保证产品的正常使用寿命和应用可靠性。
11：电源模块属于元器件，安装和使用必须有专业设计人员进行设计和指导；12：电源模块应用在密闭环境时，模块需要散热来保证可靠性，外壳要紧挨着设备外壳，并加导热胶，或者单独增加散热装置；13：耐压测试属极限破坏性测试，不可多次试验；14：本指南的更改不能保证即时通知客户，在实际使用中，请到我司官方网站下载最新版本。
AC-DC电源模块产品选型首先确定电源的规格，根据实际需求的指标进行筛选，确定使用标准电源模块还是非标，非标电源可按需求定制生产。
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输入浪涌电流抑制模块在AC-DC变换器的应用摘要：分析了电容输入式滤波整流器上电时对电源的浪涌电流冲击及危害，介绍了常规解决办法及存在的问题，提出一种实用解决方案。
1 上电浪涌电流
目前，考虑到体积，成本等因素，大多数AC/DC变换器输入整流滤波采用电容输入式滤波方式，电路原理如图1所示。
由于电容器上电压不能跃变，在整流器上电之初，滤波电容电压几乎为零，等效为整流输出端短路。
如在最不利的情况（上电时的电压瞬时值为电源电压峰值）上电，则会产生远高于整流器正常工作电流的输入浪涌电流，如图2所示。
当滤波电容为470μF并且电源内阻较小时，第一个电流峰值将超过100A，为正常工作电流峰值的10倍。
图1 电容输入式滤波电路
图2 上电后输入浪涌电流
浪涌电流会造成电源电压波形塌陷，使得供电质量变差，甚至会影响其他用电设备的工作以及使保护电路动作；由于浪涌电流冲击整流器的输入熔断器，使其在若干次上电过程的浪涌电流冲击下而非过载熔断。
为避免这类现象发生，而不得不选用更高额定电流的熔断器，但将出现过载时熔断器不能熔断，起不到保护整流器及用电电路的作用；过高的上电浪涌电流对整流器和滤波电容器造成不可恢复的损坏。
因此，必须对带有电容滤波的整流器输入浪涌电流加以限制。
2 上电浪涌电流的限制
限制上电浪涌电流最有效的方法是，在整流器与滤波电容器之间，或在整流器的输入侧加一负温度系数热敏电阻（NTC），如图3所示。
利用负温度系数热敏电阻在常温状态下具有较高阻值来限制上电浪涌电流，上电后由于NTC流过电流发热使其电阻值降低以减小NTC上的损耗。
这种方法虽然简单，但存在的问题是限制上电浪涌电流性能受环境温度和NTC的初始温度影响，在环境温度较高或在上电时间间隔很短时，NTC起不到限制上电浪涌电流的作用，因此，这种限制上电浪涌电流方式仅用于价格低廉的微机电源或其他低成本电源。
而在彩色电视机和显示器上，限制上电浪涌电流则采用串一限流电阻，电路如图4所示。
最常见的应用是彩色电视机，这种方法的优点是简单，可靠性高，允许在宽环境温度范围内工作，其缺点是限流电阻上有损耗，降低了电源效率。
事实上整流器上电处于稳态工作后，这一限流电阻的限流作用已完成，仅起到消耗功率、发热的负作用，因此，在功率
较大的开关电源中，采用上电后经一定延时后用一机械触点或电子触点将限流电阻短路，如图5所示。
这种限制上电浪涌电流方式性能好，但电路复杂，占用体积较大。
为使应用这种抑制上电浪涌电流方式，象仅仅串限流电阻一样方便，本文推出开关电源上电浪涌电流抑制模块。
图3 利用NTC抑制上电浪涌电流
图4 用电阻抑制上电浪涌电流
（a）机械触点短接（b）电子触点短接
图5 短接电阻的方式
3 上电浪涌抑制模块
3.1 带有限流电阻的上电浪涌电流抑制模块
将功率电子开关（可以是MOSFET或SCR）与控制电路封装在一个相对很小的模块（如400W以下为25mm×20mm×11mm）中，引出3～4个引脚，外接电路如图6（a）所示。
整流器上电后最初一段时间，外接限流电阻抑制上电浪涌电流，上电浪涌电流结束后，模块导通将限流电阻短路，这样的上电过程的输入电流波形如图6（b）所示。
很显然上电浪涌电流峰值被有效抑制，这种上电浪涌电流抑制模块需外接一限流电阻，用起来很不方便，如何将外接电阻省掉将是电源设计者所希望的。
（a）电路图（b）输入电流波形
图6 上电浪涌电流抑制模块
3.2 无限流电阻的上电浪涌电流抑制模块
有人提出一种无限流电阻的上电浪涌电流抑制电路如图7（a）所示，其上电电流波形如图7（b）所示，其思路是将电路设计成线形恒流电路。
实际电路会由于两极放大的高增益而出现自激振荡现象，但不影响电路工作。
从原理上讲，这种电路是可行的，但在使用时则有如下问题难以解决：如220V输入的400W开关电源的上电电流至少需要达到4A，
如上电时刚好是电网电压峰值，则电路将承受4×220×=1248W的功率。
不仅远超出IRF840的125W额定耗散功率，也远超出IRFP450及IRFP460的150W额定耗散功率，即使是APT的线性MOSFET也只有450W的额定耗散功率。
因此，如采用IRF840或IRFP450的结果是，MOSFET仅能承受有限次数的上电过程便可能被热击穿，而且从成本上看，IRF840的价格可以接受，而IRFP450及IRFP460则难以接受，APT的线性MOSFET 更不可能接受。
（a）电路图（b）波形图
图7 一种上电浪涌电流抑制电路
欲真正实现无限流电阻的上电浪涌电流抑制模块，需解决功率器件在上电过程的功率损耗问题。
作者推出的另一种上电浪涌电流抑制模块的基本思想是，使功率器件工作在开关状态，从而解决了功率器件上电过程中的高功率损耗问题，而且电路简单。
电路如图8（a）和图8（b）所示，上电电流波形如图8（c）所示。
（a）电路图1 （b）电路图2 （c）波形图
图8 新型上电浪涌电流抑制电流
3.3 测试结果
A模块在400W开关电源中应用时，外壳温升不大于40℃，允许间隔20ms的频繁重复上电，最大峰值电流不大于20A，外形尺寸25mm×20mm×11mm或
35mm×25mm×11mm。
B模块和C模块用于800W的额定温升不大于40℃，重复上电时间间隔不限，上电峰值电流为正常工作时峰值电流的3～5倍，外形尺寸35mm×30mm×11mm或者
50mm×30mm×12mm。
模块的铝基板面贴在散热器上，模块温度不高于散热器5℃。
4 结语
开关电源上电浪涌电流抑制模块的问世，由于其外接电路简单，体积小给开关电源设计者带来了极大方便，特别是无限流电阻方案，国内外尚未见到相关报道。
同时作者也将推出其它冲击负载（如交流电机及各种灯类等）的上电浪涌电流抑制模块。