直流開關電源的欠壓浪涌抑制技術

周 政 王 鵬 史鵬濤 李萬玉

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

直流開關電源具有效率高、體積小、重量輕以及穩(wěn)定性好等優(yōu)點，被廣泛應用在航天、航空、雷達、通信等領域。隨著直流開關電源的大量使用，其電磁兼容性、電源特性方面的要求也在不斷提高。就直流開關電源的欠壓浪涌考核試驗而言，現已不只是局限于航電設備。圖1給出了一般直流開關電源的設計框圖［1］。

圖1 開關電源設計基本連接圖

大部分使用了直流開關電源的電子設備，如果其電源部分未采取欠壓條件下的應對措施，那么欠壓浪涌到來時極易造成設備短時無法正常工作(包括掉電、重啟動等)，甚至造成設備損毀、系統(tǒng)癱瘓［2－3］。

1 欠壓浪涌機理分析及抑制方法

圖2、圖3是給直流供電被測設備施加欠壓浪涌而進行考核的試驗階梯電壓。其中td為浪涌持續(xù)時間，通常為50ms或更小。

圖2 欠壓浪涌階梯電壓變化示意

圖3 供電中斷階梯電壓變化示意

為保證在欠壓浪涌持續(xù)時間內，電子設備的開關電源功能不喪失且能穩(wěn)定可靠地持續(xù)工作，就必須保證直流開關電源模塊工作所需要消耗的能量，其值為:E(J)=伏.安.秒［4］。

其中，E欠壓為維持欠壓浪涌所需的能量，UP為開關電源穩(wěn)態(tài)工作的額定電壓，IP為開關電源穩(wěn)態(tài)工作(帶載)的額定電流。

通常情況下，保證在欠壓浪涌持續(xù)過程中電源模塊正常工作的設計措施是兩種方案，即采取備用電池供電法和大容量電容補充能量法。由于電池含有液態(tài)物質、使用壽命短、增加額外重量等不利因素而不建議在設備中大范圍推廣使用，作為各項指標均占優(yōu)勢的大電容補充能量法而被廣泛應用。

其中，C為所需的電容值，單位F;I為電路負載電流，單位A;ΔU為額定工作電壓與浪涌電壓之差，單位為V;td為欠壓浪涌持續(xù)時間，單位為s。表1為電流在1～10A條件下的所需補充的電容值。

表1 輸入電壓28V、負載電流(1－10A)條件下的對應容值

2 過大的啟動電流對設備造成的影響

由于在提高抗欠壓浪涌的設計中采用了大電容補充能量的方法，引起供電設備無功功率提高，源端輸入電流增大、啟動電流激增，從而出現幅度比較大的尖峰毛刺電壓，即電壓尖峰［6］。

如圖4所示，給出了基本的大電容補充能量來抑制欠壓浪涌的設計原理。前端二極管D防止在28V輸入電壓中斷時，由電容器補充的電流向源端流入;大電容C提供在輸入電壓中斷工作條件下的能量補充，此時電容C充當了濾波電容的作用，對源端的共模噪聲進行旁路濾波。

假設圖4中的負載模塊為純線性阻抗結構，如圖5給出的簡化模型。通過網絡拓撲結構，來計算上電瞬間(即啟動瞬間)而產生的浪涌電壓和電流。

其中，i總為流過電路的總電流;iC為流過電容器的電流;iR為負載端流過的電流。

通常情況下，上電瞬間都是毫秒級上電時間，假定上電時間為50ms，則源端的啟動浪涌電流如表2所示。

表2 輸入電壓28V、負載電流(1－10A)條件下的對應的浪涌電流

可以看出，在滿足瞬間掉電要求的同時用電設備必需承受2倍的啟動電流的浪涌沖擊。電壓與電流又同時滿足伏安特性，在同樣負載的條件下就會在電源輸入端產生至少兩倍于源端電壓的浪涌電壓，長期遭受浪涌電壓和浪涌電流的沖擊，負載端的元器件很易遭到損毀，因而影響產品的正常使用。

3 減小浪涌電流的有效方法

從以上的分析可以看出，采用直流開關電源的產品在正常上電瞬間產生較大的浪涌電壓和浪涌電流，為了避免負載端的電子設備遭到損毀，必須采取較為理想的浪涌抑制措施，衰減瞬時能量，方可降低產品風險［3，7］。

a.熱敏電阻軟啟動電路

b.可控硅軟啟動電路

c.繼電器軟啟動電路

一旦浪涌電壓進入到開關電源前端可能損毀個別器件時，也可以增加浪涌抑制器實現對電壓的抑制，使過電壓始終嵌位在一定電壓范圍內，保證后級電路的正常工作。

4 結束語

本文提出的抑制直流開關電源瞬間斷電所采取的措施，對提高產品的電源特性性能效果明顯。但是，任何一種抑制措施都會產生一些次生影響，就本文論證的抑制方法而言，在一定程度上也會增加啟動狀態(tài)下的浪涌電壓和電流，可能會降低開關電源的使用壽命。因此，采取浪涌抑制技術時需視產品具體特點而定。另一方面對于大功率開關電源使用時，若要抑制瞬間斷電則補償的電容將是非常大，不便于安裝與使用，因此對于大功率開關電源建議不考核瞬間斷電而確保其在正常使用環(huán)境中的應用。

［1］白同云，呂曉德.電磁兼容設計［M］.北京:北京郵電大學出版社，2001，3.

［2］國家軍用標準GJB181-1986.飛機供電特性及對用電設備的要求［S］.

［3］國家軍用標準GJB181A-2003.飛機供電特性［S］.

［4］曲學基，王增福，曲敬鎧.新編高頻開關穩(wěn)壓電源［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2005，11.

［5］柯達里(Kodali，V.P.)編著，陳淑鳳等譯.工程電磁兼容［M］.北京:人民郵電出版社，2006，10.

［6］劉雨鑫.一種高集成度的DC-DC開關電源軟啟動電路［J］.華中科技大學學報，2011，(2):108－111.

［7］曹才開.開關電源保護電路的研究［J］.繼電器，2007，35:462－466.