直流開(kāi)關(guān)電源的欠壓浪涌抑制技術(shù)

周 政 王 鵬 史鵬濤 李萬(wàn)玉

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

直流開(kāi)關(guān)電源具有效率高、體積小、重量輕以及穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在航天、航空、雷達(dá)、通信等領(lǐng)域。隨著直流開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)電源的欠壓浪涌考核試驗(yàn)而言，現(xiàn)已不只是局限于航電設(shè)備。圖1給出了一般直流開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)框圖［1］。

圖1 開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)基本連接圖

大部分使用了直流開(kāi)關(guān)電源的電子設(shè)備，如果其電源部分未采取欠壓條件下的應(yīng)對(duì)措施，那么欠壓浪涌到來(lái)時(shí)極易造成設(shè)備短時(shí)無(wú)法正常工作(包括掉電、重啟動(dòng)等)，甚至造成設(shè)備損毀、系統(tǒng)癱瘓［2－3］。

1 欠壓浪涌機(jī)理分析及抑制方法

圖2、圖3是給直流供電被測(cè)設(shè)備施加欠壓浪涌而進(jìn)行考核的試驗(yàn)階梯電壓。其中td為浪涌持續(xù)時(shí)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(shí)間內(nèi)，電子設(shè)備的開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)電源穩(wěn)態(tài)工作的額定電壓，IP為開(kāi)關(guān)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(guò)程中電源模塊正常工作的設(shè)計(jì)措施是兩種方案，即采取備用電池供電法和大容量電容補(bǔ)充能量法。由于電池含有液態(tài)物質(zhì)、使用壽命短、增加額外重量等不利因素而不建議在設(shè)備中大范圍推廣使用，作為各項(xiàng)指標(biāo)均占優(yōu)勢(shì)的大電容補(bǔ)充能量法而被廣泛應(yīng)用。

其中，C為所需的電容值，單位F;I為電路負(fù)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(shí)間，單位為s。表1為電流在1～10A條件下的所需補(bǔ)充的電容值。

表1 輸入電壓28V、負(fù)載電流(1－10A)條件下的對(duì)應(yīng)容值

2 過(guò)大的啟動(dòng)電流對(duì)設(shè)備造成的影響

由于在提高抗欠壓浪涌的設(shè)計(jì)中采用了大電容補(bǔ)充能量的方法，引起供電設(shè)備無(wú)功功率提高，源端輸入電流增大、啟動(dòng)電流激增，從而出現(xiàn)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(bǔ)充能量來(lái)抑制欠壓浪涌的設(shè)計(jì)原理。前端二極管D防止在28V輸入電壓中斷時(shí)，由電容器補(bǔ)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(bǔ)充，此時(shí)電容C充當(dāng)了濾波電容的作用，對(duì)源端的共模噪聲進(jìn)行旁路濾波。

假設(shè)圖4中的負(fù)載模塊為純線性阻抗結(jié)構(gòu)，如圖5給出的簡(jiǎn)化模型。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，來(lái)計(jì)算上電瞬間(即啟動(dòng)瞬間)而產(chǎn)生的浪涌電壓和電流。

其中，i總為流過(guò)電路的總電流;iC為流過(guò)電容器的電流;iR為負(fù)載端流過(guò)的電流。

通常情況下，上電瞬間都是毫秒級(jí)上電時(shí)間，假定上電時(shí)間為50ms，則源端的啟動(dòng)浪涌電流如表2所示。

表2 輸入電壓28V、負(fù)載電流(1－10A)條件下的對(duì)應(yīng)的浪涌電流

可以看出，在滿足瞬間掉電要求的同時(shí)用電設(shè)備必需承受2倍的啟動(dòng)電流的浪涌沖擊。電壓與電流又同時(shí)滿足伏安特性，在同樣負(fù)載的條件下就會(huì)在電源輸入端產(chǎn)生至少兩倍于源端電壓的浪涌電壓，長(zhǎng)期遭受浪涌電壓和浪涌電流的沖擊，負(fù)載端的元器件很易遭到損毀，因而影響產(chǎn)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(kāi)關(guān)電源的產(chǎn)品在正常上電瞬間產(chǎn)生較大的浪涌電壓和浪涌電流，為了避免負(fù)載端的電子設(shè)備遭到損毀，必須采取較為理想的浪涌抑制措施，衰減瞬時(shí)能量，方可降低產(chǎn)品風(fēng)險(xiǎn)［3，7］。

a.熱敏電阻軟啟動(dòng)電路

b.可控硅軟啟動(dòng)電路

c.繼電器軟啟動(dòng)電路

一旦浪涌電壓進(jìn)入到開(kāi)關(guān)電源前端可能損毀個(gè)別器件時(shí)，也可以增加浪涌抑制器實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的抑制，使過(guò)電壓始終嵌位在一定電壓范圍內(nèi)，保證后級(jí)電路的正常工作。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的抑制直流開(kāi)關(guān)電源瞬間斷電所采取的措施，對(duì)提高產(chǎn)品的電源特性性能效果明顯。但是，任何一種抑制措施都會(huì)產(chǎn)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(huì)增加啟動(dòng)狀態(tài)下的浪涌電壓和電流，可能會(huì)降低開(kāi)關(guān)電源的使用壽命。因此，采取浪涌抑制技術(shù)時(shí)需視產(chǎn)品具體特點(diǎn)而定。另一方面對(duì)于大功率開(kāi)關(guān)電源使用時(shí)，若要抑制瞬間斷電則補(bǔ)償?shù)碾娙輰⑹欠浅４螅槐阌诎惭b與使用，因此對(duì)于大功率開(kāi)關(guān)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(yīng)用。

［1］白同云，呂曉德.電磁兼容設(shè)計(jì)［M］.北京:北京郵電大學(xué)出版社，2001，3.

［2］國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB181-1986.飛機(jī)供電特性及對(duì)用電設(shè)備的要求［S］.

［3］國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB181A-2003.飛機(jī)供電特性［S］.

［4］曲學(xué)基，王增福，曲敬鎧.新編高頻開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2005，11.

［5］柯達(dá)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(kāi)關(guān)電源軟啟動(dòng)電路［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，(2):108－111.

［7］曹才開(kāi).開(kāi)關(guān)電源保護(hù)電路的研究［J］.繼電器，2007，35:462－466.