一种浪涌电流抑制电路

技术领域

本发明涉及开关电源技术领域，特别涉及一种开关电源的浪涌电流抑制电路。

背景技术

开关电源设备在接入交流电网的瞬间呈现短路的状态，从交流电网吸取巨大的脉冲电流，该脉冲电流称之为浪涌电流。该电流值远远大于正常的工作电流，对交流电网造成很大的冲击，容易触发交流电网保护开关误动作，影响交流电网正常的供电。同时，巨大的瞬态浪涌电流也对开关电源内部的整流桥、电解电容、功率半导体等器件的可靠性、使用寿命造成负面的影响。

目前在小功率应用场合，受制于成本、体积，通常会使用热敏电阻(NTC)串入电路，利用热敏电阻的负温度特性抑制开机瞬间浪涌电流，原理框图见图1。在中大功率应用场合因输入电流相对较大，为降低抑制的器件的损耗，往往会使用继电器与电阻并联或半导体开关管与电阻并联的方案，其原理框图见图2和图3。

热敏电阻方案存在以下的缺点：热敏电阻串接在电路中，电路正常工作后，尽管阻值会大幅度下降，但热损耗依然存在，影响电源的效率。同时，热敏电阻在低温环境中，其阻值会大幅度增加，不利于在低压低温条件下启动，而在高温的环境，其阻值又会变小，对浪涌电流抑制的能力又会大幅度下降。

继电器与电阻并联方案的缺点：众所周知继电器是一种机械装置，其内部的触点随着动作次数增加，接触点的氧化导致阻抗增加，机械继电器体积、使用寿命表现均不优并在工作过程中伴随产生机械噪音。其次，继电器控制逻辑相对复杂，往往需要额外使用定时器、电压比较器等电路配合使用。

半导体开关管与电阻并联的方案，用功率半导体开关器件取代机械继电器，解决继电器机械寿命与触点氧化缺陷问题。但也同样存在以下的缺点：上电时，仅依靠并联支路电阻抑制浪涌电流。因并联支路电阻值是一个恒定值，故整电路的充电时序遵循RC充放电方程等式：

当t＝RC时，Ut＝0.63Vu；

当t＝2RC时，Ut＝0.86Vu；

当t＝3RC时，Ut＝0.95Vu；

当t＝4RC时，Ut＝0.98Vu；

当t＝5RC时，Ut＝0.99Vu。

由以上等式推导可知，需经过3～5个RC后，充电过程才算基本结束。当电容两端的电压达到Ut＝0.63Vu后，后段的时序，充电的时间会以指数的形式递增，但电容两端的电压却上升缓慢，如图4所示。通过上述的分析，可知该方案的最大缺点是在于电容的充电时间过长，造成后级电路启动缓慢。在很多的应用场合为满足启动时间的技术指标要求，就需要减少并联支路的电阻值，而这样却反过来削弱对浪涌电流的抑制能力，无法实现两者兼优。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题点，本发明提出一种浪涌电流抑制电路，采用恒流电路为电容充电，使电容两端的电压与充电时间遵循方程等式：Ut＝T*I/C，即电容两端的电压与充电时间成线性比例增长，从而实现对输入浪涌电流的抑制与电路迅速启动。

本发明提供的技术方案如下：

一种浪涌电流抑制电路，其特征在于：包括恒流电路、检测电路和开关电路，恒流电路串联在电容的正极或串联在电容的负极，检测电路的输入端与恒流电路的输出端连接，检测电路的输出端与开关电路的输入端连接，开关电路的输出端与恒流电路的输入端连接，所述恒流电路用于检测并调节电容的充电电流，所述检测电路用于检测电容对参考地的电位差，当该两端的电位差小于设定值时，控制开关电路的开关管闭合导通，完成启动时序。

作为上述恒流电路的一种具体实施方式，其特征在于：所述恒流电路包括开关管Q1、开关管Q2、电阻R1和电阻R2，开关管Q1的漏极为恒流电路的输出端，开关管Q1的源极与开关管Q2的基极、电阻R2的一端连接，开关管Q1的栅极与开关管Q2的集电极、电阻R1 的一端连接，电阻R1的另一端为恒流电路的输入端，电阻R2的另一端、开关管Q2的发射极与参考地GND连接。

作为上述检测电路的一种具体实施方式，其特征在于：所述检测电路包括开关管Q4、电阻R4和二极管D1，开关管Q4的集电极为检测电路的输出端，开关管Q4的发射极与参考地 GND连接，开关管Q4的基极与二极管D1的阳极连接，二极管D1的阴极与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端为检测电路的输入端。

作为上述开关电路的一种具体实施方式，其特征在于：所述开关电路包括电阻R3、二极管D2和开关管Q3，开关管Q3的栅极与二极管D2的阴极、电阻R3的一端连接，电阻R3 的另一端为开关电路的输出端，开关管Q3源极、二极管D2的阳极与参考地GND连接，开关管Q3的漏极为开关电路的输入端。

优选的，所述开关管Q1和开关管Q3的栅极驱动电压由直流电压输入端HVDC提供。

优选的，所述开关管Q1和开关管Q3的栅极驱动电压由外置栅极驱动电压输入端GS-1 提供。

优选的，所述开关管Q1的栅极驱动电压由直流电压输入端HVDC提供，开关管Q3的栅极驱动电压由外置栅极驱动电压输入端GS-2提供。

作为一种浪涌电流抑制电路的第一种具体实施方式，其特征在于：包括恒流电路、检测电路和开关电路，恒流电路包括开关管Q1、开关管Q2、电阻R1和电阻R2，检测电路包括开关管Q4、电阻R4和二极管D1，开关电路包括电阻R3、二极管D2和开关管Q3；

开关管Q1的漏极与电容C1的负极连接，开关管Q1的源极与开关管Q2的基极、电阻R2的一端连接，开关管Q1的栅极与开关管Q2的集电极、电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端与直流电压输入端HVDC连接，电阻R2的另一端、开关管Q2的发射极与参考地GND 连接，开关管Q3的栅极与二极管D2的阴极、电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端与直流电压输入端HVDC连接，开关管Q3源极、二极管D2的阳极与参考地GND连接，开关管 Q3的漏极与电容C1的负极连接，开关管Q4的集电极与二极管D2的阴极连接，开关管Q4 的发射极与参考地GND连接，开关管Q4的基极与二极管D1的阳极连接，二极管D1的阴极与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端与电容C1的负极连接。

作为一种浪涌电流抑制电路的第二种具体实施方式，其特征在于：包括恒流电路、检测电路和开关电路，恒流电路包括开关管Q1、开关管Q2、电阻R1和电阻R2，检测电路包括开关管Q4、电阻R4和二极管D1，开关电路包括电阻R3、二极管D2和开关管Q3；

开关管Q1的漏极与电容C1的负极连接，开关管Q1的源极与开关管Q2的基极、电阻R2的一端连接，开关管Q1的栅极与开关管Q2的集电极、电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端与外置栅极驱动电压输入端GS-1连接，电阻R2的另一端、开关管Q2的发射极与参考地GND连接，开关管Q3的栅极与二极管D2的阴极、电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端与外置栅极驱动电压输入端GS-1连接，开关管Q3源极、二极管D2的阳极与参考地GND 连接，开关管Q3的漏极与电容C1的负极连接，开关管Q4的集电极与二极管D2的阴极连接，开关管Q4的发射极与参考地GND连接，开关管Q4的基极与二极管D1的阳极连接，二极管D1的阴极与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端与电容C1的负极连接。

作为一种浪涌电流抑制电路的第三种具体实施方式，其特征在于：包括恒流电路、检测电路和开关电路，恒流电路包括开关管Q1、开关管Q2、电阻R1和电阻R2，检测电路包括开关管Q4、电阻R4和二极管D1，开关电路包括电阻R3、二极管D2和开关管Q3；

开关管Q1的漏极与直流电压输入端HVDC连接，开关管Q1的源极与电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端、开关管Q2的基极、开关管Q2的发射极与电容C1的正极连接，开关管Q2的集电极与开关管Q1的栅极、电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端与直流电压输入端HVDC连接，开关管Q3的漏极与直流电压输入端HVDC连接，开关管Q3的栅极与二极管D2的阴极、电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端与外置栅极驱动电压输入端GS-2 连接，开关管Q3源极、二极管D2的阳极与参考地GND-1连接，开关管Q4的集电极与二极管D2的阴极连接，开关管Q4的发射极与参考地GND-1连接，开关管Q4的基极与电阻 R4的一端连接，电阻R4的一端与二极管D1的阳极连接，二极管D1的阴极与直流电压输入端HVDC连接。

本发明的核心构思是采用恒流电路替换常规的RC电路为电容充电，并辅以检测电路、开关电路。上电时，恒流电路输出恒定的电流为电容充电，使电容两端的电压与充电时间成线性比例增长；当检测电路检测到电容对参考地的电压差小于设定值，则自动闭合开关电路内部的开关管以减少电路的损耗。

本发明的工作原理将结合具体实施例进行分析，在此不赘述。本发明的有益效果如下：

(1)工作寿命长、功耗低、无机械噪声

使用开关管代替机械继电器，无机械开关动作次数寿命限制也无触点氧化、机械噪音问题，同时开关器件的驱动功耗更低，驱动电流仅为μA级别，远远低于机械继电器mA级别。

(2)充电电流灵活设置

可根据不同启动时间需求、电容容值灵活设置恒流电路的输出电流，通过改变电阻R2 的值，即可改变恒流电路输出的电流值。

(3)电路启动迅速

对电路电容使用恒流充电方式，开关管Q1在在后级电路完成启动前均工作在放大区，能根据输电容C1负极与参考地端GND电压差，自动调节场效应管内部的阻抗，使输出的电流维持恒定，实现电容电压与充电时间成线性比例增长。

(4)电路结构简洁

电路仅由3个简洁的单元电路构成完整的闭环控制系统，无需使用复杂定时器、电流放大器、电压比较器电路即可实现充电电流恒定控制、开关电路自动开启关闭控制逻辑时序。

附图说明

图1为NTC方案原理框图；

图2为继电器电阻并联方案原理框图；

图3为半导体开关管电阻并联方案原理框图；

图4为半导体开关管电阻并联方案的RC充电时序图；

图5为本发明浪涌电流抑制电路第一实施例的电路原理图；

图6为本发明浪涌电流抑制电路第一实施例电容恒流充电的时序图；

图7为本发明浪涌电流抑制电路第二实施例的电路原理图；

图8为本发明浪涌电流抑制电路第三实施例的电路原理图；

附图标记说明

VBE 三极管极基、集电极开启电压(约0.6-0.7V)；

HVDC 直流电压输入端；

GND 参考地；

Ut 电容两端任意时刻的电压值；

I 恒流电路的工作电流；

T 恒流电路的充电时间；

GS-1 第二实施例外置栅极驱动电压输入端；

GS-2 第三实施例外置栅极驱动电压输入端；

GND-1 参考地；

VZ 齐纳二极管的稳压值。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。

第一实施例

如图5所示，一种浪涌电流抑制电路，实现对输入浪涌电流的抑制与电路迅速启动，包括：恒流电路101、检测电路102和开关电路103，恒流电路101串联在直流电压输入端HVDC 与电容C1负极之间，检测电路102的输入端与恒流电路101的输出端连接，检测电路102 的输出端与开关电路103的输入端连接，开关电路103的输出端与恒流电路101的输入端连接，恒流电路101用于检测并调节电容C1的充电电流，检测电路102用于检测电容C1负极对参考地的电位差，当该两端的电位差小于设定值时，控制开关电路的开关管闭合导通以完成启动时序。

恒流电路101包括开关管Q1、开关管Q2、电阻R1和电阻R2，开关管Q1的漏极为恒流电路101的输出端，开关管Q1的源极与开关管Q2的基极、电阻R2的一端连接，开关管 Q1的栅极与开关管Q2的集电极、电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端为恒流电路101的输入端，电阻R2的另一端、开关管Q2的发射极与参考地GND连接。

其中，开关管Q1为场效应管，采用共源极接法，相应地可采用IGBT、三极管功率器件作等效替代；开关管Q2为NPN三极管，采用共射极接法；在启动时，开关管Q1和开关管 Q2均工作在放大区。

检测电路102包括开关管Q4、电阻R4和二极管D1，开关管Q4的集电极为检测电路102 的输出端，开关管Q4的发射极与参考地GND连接，开关管Q4的基极与二极管D1的阳极连接，二极管D1的阴极与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端为检测电路102的输入端。

其中，开关管Q4为NPN三极管，采用共射极接法，相应地根据开关电源产品需求可采用场效应管作等效替代。

开关电路103包括电阻R3、二极管D2和开关管Q3，开关管Q3的栅极与二极管D2的阴极、电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端为开关电路103的输出端，开关管Q3源极、二极管D2的阳极与参考地GND连接，开关管Q3的漏极为开关电路103的输入端。

其中，开关管Q3为场效应管，采用共源极接法，相应地可采用IGBT、三极管功率器件作等效替代；恒流电路完成充电时序前，开关管Q3工作在截止区；当恒流电路完成充电时序后，开关管Q3工作在饱和区。

本发明的工作原理如下：

电路通电后，直流电压输入端HVDC为恒流电路101中的开关管Q1提供栅极偏置电压，当开关管Q1栅极电压完成建立，达到开关管Q1所需的开启电压阈值时，恒流电路101开始工作，输出恒定的电流经电阻R1、电阻R2至参考地GND形成闭合回路，同时开关管Q2的基极和集电极检测电阻R2两端电位差，当电阻R2两端电位差超过开关管Q2的VBE阈值时，开关管Q2开始进入放大区，电路跟随检测电流值的大小，调节开关管Q1的栅极驱动电压，使开关管Q1工作在放大区，自动调节内部阻抗，从而维持电路的电流恒定输出。

恒流电路输出的电流值遵循以下等式：I＝VBE/R1，修改电阻R2的参数，即可设置恒流电路的输出电流。

同时地，直流电压输入端HVDC经恒流电路、电阻R3为开关电路103中的开关管Q3提供栅极偏置电压，上电初，电容C1的负极与参考地CND的电位差大于二极管D1的临界击穿电压，二极管D1处于导通的状态，开关管Q4工作在饱和区域，开关管Q3的栅极电压被置低电平，处于截止的状态。

随着充电时间的增加，当电容C1的负极与参考地GND的电位差小于设定的值，即小于二极管D1的临界击穿电压时，二极管D1截止，开关管Q4截止。开关管Q3的栅极恢复为高电平，开关管Q3工作在饱和区域，浪涌抑制电路完成开启时序。

二极管D1为齐纳二极管，选取不同齐纳二极管D1的稳压参数值Vz，即可设定开关电路断开、闭合的阈值。

本发明通过对电路电容C1使用恒流充电方式，使开关管Q1在后级电路完成启动前均工作在放大区，并能根据电容C1负极与参考地GND的电压差，自动调节场效应管内部的阻抗，使输出的电流维持恒定，使电容C1两端的电压与充电时间遵循方程等式：Ut＝T*I/C，从而实现电容电压与充电时间成线性比例增长，充电的时序图如图6所示。

第二实施例

如图7所示为本实施例浪涌电流抑制电路的电路原理图，恒流电路101、检测电路102 和开关电路103，恒流电路101串联在直流电压输入端HVDC与电容C1负极之间，检测电路102的输入端与恒流电路101的输出端连接，检测电路102的输出端与开关电路103的输入端连接，开关电路103的输出端与恒流电路101的输入端连接。

本实施例与第一实施例的区别为，恒流电路101的开关管Q1和开关电路的开关管Q3的栅极驱动电压由外置栅极驱动电压输入端GS-1提供。本实施例的工作原理与第一实施例类似，此处不再赘述。

第三实施例

如图8所示为本实施例浪涌电流抑制电路的电路原理图，恒流电路101、检测电路102 和开关电路103，恒流电路101串联在直流电压输入端HVDC与电容C1正极之间，检测电路102的输入端与恒流电路101的输出端连接，检测电路102的输出端与开关电路103的输入端连接，开关电路103的输出端与恒流电路101的输入端连接。

本实施例与第一实施例的区别为，恒流电路101串联在直流电压输入端HVDC与电容 C1正极之间，并加入一组隔离栅极驱动的电压GS-2、GND-1，恒流电路101中的开关管Q1的栅极驱动电压由直流电压输入端HVDC提供，开关电路103中的开关管Q3的栅极驱动电压由外置栅极驱动电压输入端GS-2提供，其中GND-1与GND是两个不同的参考地。

恒流电路101用于检测并调节电容C1的充电电流，检测电路102用于检测电容C1正极对参考地CND的电位差，当该两端的电位差小于设定值时，控制开关电路的开关管闭合导通，完成启动时序。其余工作原理与细节在本发明第一实施例中已有详细阐明，此处不再赘述。

以上实施案例只是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制。另外，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这是通过现有公知技术显而易见得到的，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围，这里不再用实施例赘述。