6.6.1 浪涌抑制
1)浪涌的产生
供电电路中DC/DC变换器输入滤波器的设计是电感和电容的结合,为了达到降低EMI的目的以及满足因为温度变化所必须达到的降额,设计时通常使用大容值的滤波电容。随着制造工艺的创新,电容的ESR越来越低,使得电容在加电瞬间近似短路,有很高的电压变化率。通过如下公式表述:
式中,ic为上电瞬间的电流值(A);C为DC/DC变换器等效输入电容值(μF);为电压上升斜率(V/μs)。
由式(6-2)可知,加电瞬间将引入很大的瞬时电流,可能会远远超出一些器件的额定值,使器件受损甚至失效,烧毁保险丝,或者使继电器误触发。
据统计,宇航电子产品未进行浪涌抑制设计时的浪涌电流幅值集中在10~30 A,持续时间集中在10~500μs,浪涌电流具有较大的复杂性和不确定性。
2)浪涌的危害
浪涌电流的复杂性和不确定性往往会造成很大的危害,主要体现在以下五个方面:
(1)浪涌电流可能对配电继电器触点造成损坏,导致继电器触点黏连或断开,造成电子产品无法通过指令进行正常开关机,使得产品功能丧失。
(2)浪涌电流会导致输入电压波形塌陷,使供电品质变差,进而影响其他用电产品的工作,使系统可靠性及稳定性能降低。
(3)浪涌电流会增加电源系统的能源负担,特别是当大功耗产品发生继电器黏连的情况下;严重时还会影响型号任务的完成。
(4)浪涌电流有可能通过耦合或传导等途径影响信号电路如指令信号或遥测信号时,很可能引起其他用电产品的指令误操作(如复位、异步中断等)或状态检测异常,从而影响系统的故障判断,造成不必要的麻烦和损失。
(5)瞬态浪涌电流过大,有可能给各支路中熔断器选择和基于熔断热能的保护电路的设计造成困难,一方面要保证在过载时切断负载供电,起到保护作用,另一方面又必须在瞬态浪涌电流时不发生误动作。因此,对宇航电子产品进行浪涌电流抑制设计是必要的。
3)浪涌抑制方法
由浪涌电流产生的原理可知,在电源电压DC/DC固有特性固定的情况下,影响浪涌电流大小的主要因素是设备上电时间t(即设备输入电压建立时间),延长输入电压的建立时间是减小设备浪涌电流的有效方法,常用措施有增加限流电阻和采用软启动电路。
(1)串联限流电阻法。通过串联限流电阻来减小输入浪涌电流,在EMI滤波器之前的电源输入正端增加限流电阻,通过延长DC/DC变换器内滤波电容的充电时间减缓输入电压建立的时间,从而达到抑制浪涌电流的目的,如图6-25所示。
限流电阻越大,浪涌电流幅值越小。实际使用中,综合考虑限流电阻上的压降以及限流电阻产生的功耗等因素,一般选择功率型线绕固定电阻器,其具有功率大、精度高、体积小等特点。
图6-25 串联限流电阻法示意图
使用限流电阻的方法只适用于稳态工作电流较小的产品,对大电流产品会产生较大的压降和较大的功耗等负面影响。另一方面,使用限流电阻的设计方法时,需要该产品随着整体电路一同加电,因此需要考虑设计会不会对其他产品的供电可靠性造成影响。另外,对于需要频繁开关机的产品,此方法并不适用。
(2)基于MOS管的软启动电路。采用基于MOS管的软启动电路以抑制浪涌电流,应用于宇航产品的供电电源转换中。MOS管之所以能被用于浪涌电流抑制电路中,是由于它具备如下特性:
①MOS管是多数载流子器件,具有很快的开关速度。
②开关损耗小。
③栅极驱动方式简单。
④在导通状态,漏-源导通压降较低,从一定程度上提高了电源转换效率。
由于正常工作时,MOS管在可变电阻区时间极短,不能消除或降低浪涌电流。为降低浪涌电流,应使MOS管在可变电阻区工作一段时间。如何使场效应管有足够的时间(在完全导通前)工作在可变电阻区,成为浪涌电流抑制电路设计的关键。