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摘 要：本文分析了开关电源开机输入浪涌电流产生原因，并针对开关电源的开机输入浪涌电流产生原因提出了抑制浪涌电流的应对方案。
关键词：浪涌电流；二次浪涌电流；抑制；冲击；输入回路
0 引言
开关电源具有效率高、体积小、重量轻的优点。所以其应用的场合越来越多。但有一个普遍的问题困扰着开关电源设计者，那就是开机输入浪涌电流问题。本文就开关开机浪涌电流产生的原因进行了分析。同时也提出抑制开机输入浪涌电流的有效应对方案。
1.开机输入浪涌电流产生的原因
开关电源的核心部分为DC/DC变换电路。对于DC/DC变换电路的输入端要加入较大的滤波电容器C11。因为电容器在输入未接通之前，其上的电压为零或接近于零。所以在接通输入电源时，输入电源会为这个电容器充电。其充电特性实际在开机浪涌电流这个现象上，我们主要关注的是充电的初始阶段，因为这个阶段的电流是最大的，也就是这个电流造成了开机浪涌电流。电容充电电流大小取决于充电回路的阻抗R及输入电压。充电回路阻抗越小，则浪涌电路越大。输入电压越高，则浪涌电流越大。
在未加入浪涌抑制电路的输入回路中，其阻抗主要为电容器的等效电阻ESR，而通常ESR只有毫欧的级别。对于较为通用的AC220V输入的开关电源来说，其峰值电压约为300V，所以电容器的初始充电电流即开机浪涌电流是非常大的。
2.开机浪涌电流的危害
通过以上的分析，如果没有开机浪涌电流抑制电路，对于以市电作为输入的开关电源来说，在开机时会产生上百安培甚至近千安培的浪涌电流。这样大的电流会对输入回路及电网产生严重的冲击。主要表现为以下几个环节。
1）输入回路的保护单元误动作。这个冲击电流完会使空气开关不能合闸，甚至造成开关触点的粘连，而使空气开关失效。同理对于输入回路的保险丝，这个浪涌电流的冲击，会迅速使其熔断，甚至炸裂。
2）对输入回路电子元器件的电流冲击。输入回路的电子元器件都会通过这个浪涌电流，这么大的量值及作用时间，完全可以使这些电子元件器产生过电流应力，造成电子元器件的可靠性降低甚至损坏。
3）对供电网络的扰动。如果开关电源在开机时产生这么大冲击电流，则会对其供电网络产生电流的扰动。同时开机浪涌电流还会产生较大的低次谐波电流污染。
3.应对方案
通过对开关电源开机浪涌电流产生原因的分析，如要抑制开机浪涌电流，其主要途径是
增加输入回路的阻抗。其简单有效的办法就是在输入回路中增加一个限流电阻器。可以根据需要，将开机输入浪涌电流抑制到相应的值，只要有相应的电阻器可选。
对于小功率即输入电流小的开关电源这个方案是最简单有效的方法。也可将串接的普通电阻器换为负温度系数的热敏电阻器（NTC）。开机时NTC处于冷态，其阻值相对较大，可以将输入浪涌电流有效抑制到一定水平。电源工作时NTC通过输入回路的电流会产生的热量，使其阻值降低，从而可以减小对输入回路的影响。
直接串入电阻器的方法虽然有效的抑制了开机浪涌电流，但对于大功率电源或输入工作电流较大的电流来说是不可以的。因为这个引入的浪涌抑制电阻器在开关电源工作时会产生消耗较大的能量，这样就会产生两个问题：第一：使开关电源的效率降低；第二：是降低了开关电源有效输入电压范围。所以该情况下可增加一个延时开关SW11（如图4所示）。电源开机时，延时开关处于断开状态，输入回路先通过电阻器为电容器充电，充电峰值电流的大小取决电阻器。当电容器充电完毕后，延时开关闭合，将电阻器短路掉。从而就可以避免直接加入限流电阻器或NTC所产生的问题。
似乎如图1所示的方法应可以完美解决开机浪涌电流问题。但是在实际工程上却有较大的出入，即使加入了如图1所示的浪涌抑制电路，还会在开机后有时出现比设计值高很多的浪涌电流。这个浪涌电流是怎么产生的呢？下面我们来做一下分析。
开机后输入回路先通过R11对C11进行充电，由于开关电源的输入电压适应范围较宽，对于AC220V输入的开关电源，一般在电容器电压被充电到150V左右时，后级的DC/DC变换电路应就开始工作了，也就是电源就会有相应的功率输出。那么就会在输入回路中产一个工作电流。因S11还处于断开状态，这个电流就会在R11上产生较大的压降，即当电容器充电到某一个电压值时就不会再上升，而这个电压值比延时开关S11接通后电容上电压值要低。所以在S11接通时，由于此时的回路阻抗处于较低状态，而电容器的端电压与输主电压还存在较大的电压差。这时也会产生较大的浪涌电流。这个浪涌电流我们称之为二次浪涌电流。
解决二次浪涌电流方法就是在图1所示电路的基础上，在DC/DC变换电路作延时启动处理。即待滤滤电容器C11充满电时，再启动DC/DC电路。
图1 增加了延时开关的浪涌抑制电路
4开机浪涌抑制电路设计时的几个注意点。
（1） 延时主开关（SW11）的选择。
延时开关电路的主开关，可选择机械式开关如：继电器； 电子开关可以选择单向晶闸管、场效应管（MOSFET）。
由于晶闸管的性价比较高，耐冲击能力强，所以被大多数设计者所使用。但晶闸管的有一个参数是dVD/dt（电压梯度），当电压梯度较大时，将出现自触发而导通。所以使用晶闸管作延时主开关，可能会造成输入开机浪涌电流抑制效果不佳。其解决方法是在晶闸管阴、阳极间加入缓冲电路，或在主回路中串接电感量较大的电感器，也可两者结合使用，以降低晶闸管两端的电压梯度。
（2） 限流电阻器的选择
限流电阻器的选择时的注意事项如下
第一，电阻器的I2T耐量。因为I2T耐量不满足要求的话，在通过该电阻器给电容器初始充电时产生的瞬时大能量，可能会将电阻器烧毁。
第二，浪涌电流抑制值的确定。开机浪涌电流抑制后的值，原则上不要比正常工作时的最大峰值电流小。一般选择小于最大工作峰值电流的1.5倍以内即可。
5.结束语
开机浪涌电流产生的基理比较简单，但如何有效的将这个电流抑制在一个合理范围内，则需要进行全面性的考虑。非常值得注意的是二次浪涌电流的问题，以及浪涌电流抑制值的确定。
作者简介
于 莉，女，1975年出生，工程师，籍贯：辽宁省建平县。
刘海波，男，1976年出生，工程师 籍贯：辽宁省朝阳县，现就职于航天长峰朝阳电源有限公司俄罗斯电源部 部长。
李凤军，女，1970年出生，本科，主要研究方向：新型集成一体化电源。
武宪文，男，1974年出生，工程师，籍贯： 辽宁省朝阳市。
关键词：浪涌电流；二次浪涌电流；抑制；冲击；输入回路
0 引言
开关电源具有效率高、体积小、重量轻的优点。所以其应用的场合越来越多。但有一个普遍的问题困扰着开关电源设计者，那就是开机输入浪涌电流问题。本文就开关开机浪涌电流产生的原因进行了分析。同时也提出抑制开机输入浪涌电流的有效应对方案。
1.开机输入浪涌电流产生的原因
开关电源的核心部分为DC/DC变换电路。对于DC/DC变换电路的输入端要加入较大的滤波电容器C11。因为电容器在输入未接通之前，其上的电压为零或接近于零。所以在接通输入电源时，输入电源会为这个电容器充电。其充电特性实际在开机浪涌电流这个现象上，我们主要关注的是充电的初始阶段，因为这个阶段的电流是最大的，也就是这个电流造成了开机浪涌电流。电容充电电流大小取决于充电回路的阻抗R及输入电压。充电回路阻抗越小，则浪涌电路越大。输入电压越高，则浪涌电流越大。
在未加入浪涌抑制电路的输入回路中，其阻抗主要为电容器的等效电阻ESR，而通常ESR只有毫欧的级别。对于较为通用的AC220V输入的开关电源来说，其峰值电压约为300V，所以电容器的初始充电电流即开机浪涌电流是非常大的。
2.开机浪涌电流的危害
通过以上的分析，如果没有开机浪涌电流抑制电路，对于以市电作为输入的开关电源来说，在开机时会产生上百安培甚至近千安培的浪涌电流。这样大的电流会对输入回路及电网产生严重的冲击。主要表现为以下几个环节。
1）输入回路的保护单元误动作。这个冲击电流完会使空气开关不能合闸，甚至造成开关触点的粘连，而使空气开关失效。同理对于输入回路的保险丝，这个浪涌电流的冲击，会迅速使其熔断，甚至炸裂。
2）对输入回路电子元器件的电流冲击。输入回路的电子元器件都会通过这个浪涌电流，这么大的量值及作用时间，完全可以使这些电子元件器产生过电流应力，造成电子元器件的可靠性降低甚至损坏。
3）对供电网络的扰动。如果开关电源在开机时产生这么大冲击电流，则会对其供电网络产生电流的扰动。同时开机浪涌电流还会产生较大的低次谐波电流污染。
3.应对方案
通过对开关电源开机浪涌电流产生原因的分析，如要抑制开机浪涌电流，其主要途径是
增加输入回路的阻抗。其简单有效的办法就是在输入回路中增加一个限流电阻器。可以根据需要，将开机输入浪涌电流抑制到相应的值，只要有相应的电阻器可选。
对于小功率即输入电流小的开关电源这个方案是最简单有效的方法。也可将串接的普通电阻器换为负温度系数的热敏电阻器（NTC）。开机时NTC处于冷态，其阻值相对较大，可以将输入浪涌电流有效抑制到一定水平。电源工作时NTC通过输入回路的电流会产生的热量，使其阻值降低，从而可以减小对输入回路的影响。
直接串入电阻器的方法虽然有效的抑制了开机浪涌电流，但对于大功率电源或输入工作电流较大的电流来说是不可以的。因为这个引入的浪涌抑制电阻器在开关电源工作时会产生消耗较大的能量，这样就会产生两个问题：第一：使开关电源的效率降低；第二：是降低了开关电源有效输入电压范围。所以该情况下可增加一个延时开关SW11（如图4所示）。电源开机时，延时开关处于断开状态，输入回路先通过电阻器为电容器充电，充电峰值电流的大小取决电阻器。当电容器充电完毕后，延时开关闭合，将电阻器短路掉。从而就可以避免直接加入限流电阻器或NTC所产生的问题。
似乎如图1所示的方法应可以完美解决开机浪涌电流问题。但是在实际工程上却有较大的出入，即使加入了如图1所示的浪涌抑制电路，还会在开机后有时出现比设计值高很多的浪涌电流。这个浪涌电流是怎么产生的呢？下面我们来做一下分析。
开机后输入回路先通过R11对C11进行充电，由于开关电源的输入电压适应范围较宽，对于AC220V输入的开关电源，一般在电容器电压被充电到150V左右时，后级的DC/DC变换电路应就开始工作了，也就是电源就会有相应的功率输出。那么就会在输入回路中产一个工作电流。因S11还处于断开状态，这个电流就会在R11上产生较大的压降，即当电容器充电到某一个电压值时就不会再上升，而这个电压值比延时开关S11接通后电容上电压值要低。所以在S11接通时，由于此时的回路阻抗处于较低状态，而电容器的端电压与输主电压还存在较大的电压差。这时也会产生较大的浪涌电流。这个浪涌电流我们称之为二次浪涌电流。
解决二次浪涌电流方法就是在图1所示电路的基础上，在DC/DC变换电路作延时启动处理。即待滤滤电容器C11充满电时，再启动DC/DC电路。
图1 增加了延时开关的浪涌抑制电路
4开机浪涌抑制电路设计时的几个注意点。
（1） 延时主开关（SW11）的选择。
延时开关电路的主开关，可选择机械式开关如：继电器； 电子开关可以选择单向晶闸管、场效应管（MOSFET）。
由于晶闸管的性价比较高，耐冲击能力强，所以被大多数设计者所使用。但晶闸管的有一个参数是dVD/dt（电压梯度），当电压梯度较大时，将出现自触发而导通。所以使用晶闸管作延时主开关，可能会造成输入开机浪涌电流抑制效果不佳。其解决方法是在晶闸管阴、阳极间加入缓冲电路，或在主回路中串接电感量较大的电感器，也可两者结合使用，以降低晶闸管两端的电压梯度。
（2） 限流电阻器的选择
限流电阻器的选择时的注意事项如下
第一，电阻器的I2T耐量。因为I2T耐量不满足要求的话，在通过该电阻器给电容器初始充电时产生的瞬时大能量，可能会将电阻器烧毁。
第二，浪涌电流抑制值的确定。开机浪涌电流抑制后的值，原则上不要比正常工作时的最大峰值电流小。一般选择小于最大工作峰值电流的1.5倍以内即可。
5.结束语
开机浪涌电流产生的基理比较简单，但如何有效的将这个电流抑制在一个合理范围内，则需要进行全面性的考虑。非常值得注意的是二次浪涌电流的问题，以及浪涌电流抑制值的确定。
作者简介
于 莉，女，1975年出生，工程师，籍贯：辽宁省建平县。
刘海波，男，1976年出生，工程师 籍贯：辽宁省朝阳县，现就职于航天长峰朝阳电源有限公司俄罗斯电源部 部长。
李凤军，女，1970年出生，本科，主要研究方向：新型集成一体化电源。
武宪文，男，1974年出生，工程师，籍贯： 辽宁省朝阳市。