【導讀】我們日常生活中使用的各種家用電器，以及乘坐的汽車和火車等交通工具都是電源的廣泛應用，而且電源設備在軍工及航空航天等特殊行業中也有著極其廣泛的應用。
一、摘要
我們日常生活中使用的各種家用電器，以及乘坐的汽車和火車等交通工具都是電源的廣泛應用，而且電源設備在軍工及航空航天等特殊行業中也有著極其廣泛的應用。
為保證電源設備穩定工作不被干擾，需要在電源設備的輸入端并聯電容。同時為實現電源設備的輸入過載保護，還會在電源設備的輸入端串聯保險絲或斷路器等。由于輸入電容的存在，電源設備在啟動過程中將會產生較大的輸入沖擊電流，可能會導致保險絲熔斷或斷路器跳閘等問題。本文將從電源設備輸入沖擊電流抑制方案的設計與應用，給出可靠的解決方案。
二、輸入沖擊電流的產生原因
輸入沖擊電流產生路徑如圖1所示。
供電系統啟動時，輸入電壓Vin快速升高，輸入電壓Vin通過輸入等效阻抗Rin對輸入等效大電容Cin進行充電。輸入回路沒有使用輸入沖擊電路抑制電路時，由于輸入等效阻抗Rin主要為PCB走線阻抗、EMC電路中共模/差模電感阻抗和端口連接阻抗等，輸入等效阻抗Rin相對較小（相對于輸入沖擊電路抑制電路的阻抗可忽略不計），將導致較大的輸入沖擊電流。
在110VDC輸入，輸入等效大電容Cin為100uF，未加電流抑制電路時，輸入沖擊電流典型波形如圖2所示，輸入沖擊電流達到170A。
三、輸入沖擊電流抑制電路應用系統框圖
輸入沖擊電流抑制電路應用系統框圖如圖3所示。
輸入沖擊電流過大將會導致輸入端保險絲熔斷或斷路器跳閘等問題，對于高可靠性要求的行業應用，進行輸入沖擊電流抑制必不可少。
四、電路方案對比
為了有效抑制輸入沖擊電流，行業內常采用的方案有以下幾種：
方案1：將電阻器串聯在電源設備的輸入回路中，進行輸入沖擊電流抑制，輸入回路串聯電阻器R1后的方案示意圖如圖4所示。
供電系統開始供電時，輸入等效大電容Cin電壓較小，輸入沖擊電流最大為，為有效抑制輸入沖擊電流，串聯電阻器R1需要較大的阻值，電源設備穩定工作時，將有持續的電流流過電阻器R1，電阻器R1存在發熱嚴重和影響產品效率的缺點。
以輸入電壓Vin=110VDC，輸出功率Po=100W，產品效率?=93%，需求輸入沖擊電流Iin≤10A為例，可計算出電阻器R1取值為，穩態工作時電阻器R1的輸入電流，電阻器R1的損耗。考慮到電阻器的尺寸和溫升等，一般需要電阻器R1的損耗小于1W，即對于輸出功率小于30W的小功率電源設備可考慮使用此方案，對于較大功率的電源設備需要采用更優的方案設計。
方案2：將負溫度系數的熱敏電阻串聯在電源部分的輸入回路中，進行輸入沖擊電流抑制，輸入回路串聯熱敏電阻RT后的方案示意圖如圖5所示。
為解決方案1固定電阻穩態發熱嚴重和影響產品效率的問題，行業常用以上熱敏電阻方案。電源設備剛啟動時，熱敏電阻還未發熱，阻值較大，可進行輸入沖擊電流抑制，穩態工作后熱敏阻值降低，發熱量較小和對產品效率影響較小。
該方案具有熱敏電阻發熱量較小和對產品效率影響較小的優點，但是由于負溫度熱敏電阻特性為阻值隨溫度的降低而降低和阻值恢復時間較長，因此該方案存在的缺點有：
（1）高溫環境工作啟動時，熱敏電阻阻值小，不能很好的抑制輸入沖擊電流；
（2）低溫環境工作啟動時，熱敏電阻阻值大，可能會導致電源設備啟動不良；
（3）電源設備開關機間隔時間較短情況下啟動時，熱敏電阻穩態工作阻值減小后還未恢復到較大的阻值，不能很好的抑制輸入沖擊電流。
方案3：將電阻器與電子開關并聯后再串聯在電源設備的輸入回路中，并采用自動控制電路控制該電子開關是否與電源設備的輸入回路接通，進行輸入沖擊電流的抑制。
輸入回路串聯電阻器、電子開關和控制電路后的方案示意圖如圖6所示。
為解決方案1和方案2的缺點，可采用以上方案3，該方案啟動時，電子開關S1斷開，電阻器R1進行輸入沖擊電流抑制，穩態工作時電子開關S1閉合，該方案的優點為：
（1）可有效抑制輸入沖擊電流，同時由于電阻器R1、電子開關S1和控制電路受溫度影響較小，輸入沖擊電流抑制效果受溫度的影響也較小；
（2）電阻器和電子開關損耗低、發熱量小，對電源設備正常工作時的效率的影響較小；
（3）控制電路恢復時間快，電源設備開關機間隔時間較短時也能夠有效抑制輸入沖擊電流。
方案4：將電子開關串聯在電源設備的輸入回路中，并采用自動控制電路控制電子開關的阻抗進行輸入沖擊電流的恒流控制，輸入回路串聯電子開關和控制電路后的方案示意圖如圖7所示。
為解決方案1和方案2的缺點，還可采用以上方案4，該方案除具有方案3的優點外，還具有的優點為：
（1）不使用電阻器R1，可降低系統設備的尺寸和成本。
（2）電子開關的阻抗采用恒流控制，受輸入電壓變壓的影響較小。
綜上，對于性能和可靠性等要求較高的應用場合，可選擇方案3或4進行設計。
五、電源設備可靠性設計
電源設備的設計要求高可靠性，在環境的影響（如冷卻、干熱、交變濕熱、振動、沖擊等）、電磁兼容的影響（傳導騷擾抗擾度、輻射干擾抗擾度、電快速瞬變脈沖群、電源過電壓、浪涌、靜電放電等）和其它影響條件下，電路特性和壽命設計等都有應用規格要求。
電源設備的可靠性主要從以下三個方面進行考慮：
1、設計可靠性：電路方案選型、降額設計、熱設計、安規設計、EMC設計和PCB設計等進行可靠性設計；
2、原材料可靠性：失效率、MTBF、使用壽命等可靠性指標進行物料選型；
3、制造可靠性：可制造性、生產環境、生產人員等保障制造可靠性。
六、電源設備應用方案
以金升陽電源模塊應用于鐵路系統電力牽引控制單元為例，如圖8所示。
采用鐵路110VDC供電系統，經過輸入沖擊電流抑制電路、保護電路和EMC電路等為DC/DC電源模塊供電，DC/DC電源電源模塊將電壓轉換為3種不同的輸出電壓，輸出電壓再經過輸出EMI電路為不同需求的負載進行供電。
板卡電源集成輸入沖擊電流抑制電路、EMC電路、保護電路（防反接、過欠壓、過流、短路等），該板卡電源輸出沖擊電流可抑制到10A以內、功能齊全、滿足鐵標EN50155認證要求等，可滿足系統應用需求，金升陽板卡電源如圖9所示。
該板卡電源使用輸入沖擊抑制電路后的輸入沖擊電流波形如圖10所示。
七、小結
電源設備在各行各業的廣泛應用，對于高可靠性的電源設備離不開輸入沖擊電流抑制這個電路方案設計，我司可為客戶提供配套的解決方案，針對鐵路等行業應用還可提供系統方案設計的板卡電源，更好的滿足客戶應用需求，簡化客戶的產品開發和測試周期，綜合提升系統的穩定性、安全性和可靠性。
來源：金升陽
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