CN103199688B - 一种开关电源的上电冲击电流抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种开关电源及其上电冲击电流抑制方法，将开关电源中的整流稳压电容和一个MOS管串联后并接在整流器输出的整流电压两端，并将整流稳压电容的电压接入上电冲击控制电路，上电冲击控制电路的输出控制信号接入MOS管控制端；上电冲击控制电路通过输出的导通脉冲宽度控制MOS管的导通阻抗，从而抑制开关电源的上电冲击电流。该方法在实现对开关电源上电冲击电流进行有效抑制的同时，能够加快开关电源上电工作的速度；上电冲击控制电路能够集成在开关电源控制芯片中，便于实际应用；由于MOS管的导通阻抗低，引入的能量功耗较小，工作可靠性高。

Description

一种开关电源的上电冲击电流抑制方法

技术领域

本发明涉及一种开关电源及其上电冲击电流抑制方法。 

背景技术

在开关电源设计中，为了输出平滑的、纹波较小的直流电压，需要在开关电源电路的输入侧并联容值很大的整流稳压电容。由于这个电容的存在，传统的开关电源电路在上电瞬间，会在整流输入端产生非常大的冲击电流。该冲击电流会达到额定工作电流的上百倍，如果不加以抑制，既有可能烧坏开关电源中的整流管、开关管等元件，还将对电网造成电流冲击，产生电磁干扰，影响其它电力设备正常工作。特别在停电恢复时，所有使用开关电源的负荷同时上电，冲击电流累加在一起，会造成限流保护再次动作，影响正常的恢复供电过程。 

已有的抑制开关电源的冲击电流的方法如图1所示。该方法在交流输入端串联热敏电阻，当出现大电流时，热敏电阻阻值增加，将限制上电冲击电流。但是，热敏电阻从常态的低阻值到保护状态的高阻值具有一个变化延时，所以不能对瞬时的冲击电流进行有效保护。同时，开关电源通常选用具有负温度特性的热敏电阻，以便在正常工作状态，热敏电阻发热时，获得减小的电阻值，减少其能量损耗。由此特性，如果开关电源输入的交流电压突然掉电后又马上恢复，热敏电阻因其没有冷却，将失去对此刻的冲击电流的限制作用。所以，采用热敏电阻的方法只能在小功率的开关电源中应用。 

在大功率的开关电源中，还有将热敏电阻替代为限流电阻、并在限流电阻的两端并联一个继电器的方法。上电时，继电器断开，限流电阻被串入交流回路，从而限制冲击电流。经过一定时间的延时后，继电器闭合，限流电阻被短接，电源正常工作。该方法结构更加复杂，实际工作的可靠性不高，而且继电器的使用增加了成本。 

发明内容

本发明的目的是提供一种用于开关电源的上电冲击电流的抑制方法及使用该方法的开关电源，用以解决现有上电冲击电流抑制方法可靠性低、上电速度慢的问题。 

为实现上述目的，本发明的方案包括： 

一种开关电源，包括整流器和整流器输出端连接的一个整流稳压电容，所述整流稳压电容与一个MOS管串联，该MOS管与整流稳压电容形成的串联支路连接在整流器输出端之间；所述开关电源还设有一个输出控制信号与所述MOS管控制端相连接的上电冲击控制电路，该上电冲击控制电路采样所述整流稳压电容的两端电压，并根据整流稳压电容两端电压为MOS管提供导通控制信号输出。 

一种上电冲击电流抑制方法，包括如下步骤：上电冲击控制电路依据如下两种情况输出控制信号： 

（1）当整流稳压电容两端电压U_D小于设定电压阈值U_DT，则上电冲击控制电路输出控制信号为周期为T_P、导通脉冲宽度为T_D的脉冲，通过调节导通脉冲宽度T_D，控制MOS管的导通阻抗，抑制上电冲击电流； 

（2）当U_D大于设定电压阈值U_DT，则上电冲击控制电路的输出控制信号为MOS管导通所对应的电平信号，控制MOS管导通。 

在情况（1）中上电冲击控制电路依据整流稳压电容两端电压U_D、采用线性方式调控导通脉冲宽度T_D，满足如下关系： 

$T_D=\frac{T_{\mathrm{DH}}-T_{\mathrm{DL}}}{U_{\mathrm{DT}}}\×U_D+T_{\mathrm{DL}},$

其中，T_DL和T_DH分别为U_D等于0和U_DT时的导通脉冲宽度，且T_DL<T_DH≤T_P，当导通脉冲宽度满足T_DL<T_D<T_DH时，MOS管的导通阻抗随T_D增大而减小。 

周期T_P的取值大于MOS管最高工作频率对应的周期时间。 

本发明的方法，利用了MOS管的特性来抑制冲击电流：MOS管的导通和关断过程具有延时。在MOS管的导通延时内，MOS管导通电流从零逐步上升；在MOS管的关断延时内，MOS管的电流逐渐下降至零。如果导通脉冲的宽度小于MOS管的导通延时，MOS管在固定的导通电压下，其最大导通电流随导通脉冲宽度的增加而增大，即等效为MOS管的 导通阻抗随导通脉冲宽度的增加而减小。由此，通过调节导通脉冲宽度可以控制MOS管的导通阻抗，达到抑制开关电源的冲击电流的目的。在开关电源上电瞬间，由于整流稳压电容两端的电压U_D较低，根据情况（1），上电冲击控制电路输出脉冲信号控制MOS管的导通。当U_D=0时，整流桥输入电压和整流稳压电容电压的电压差很大，此时导通脉冲宽度T_D为最小值T_DL，即MOS管导通阻抗最大，由此降低了整流输入电流回路的电流值，抑制了冲击电流。随着U_D的升高，且U_D小于设定电压阈值U_DT，整流桥输入电压和整流稳压电容电压的最大电压差减小，MOS管的导通阻抗随T_D增大而减小，整流稳压电容快速充电并达到设定的电压阈值U_DT。MOS管导通关断过程将产生能量损耗，会使MOS管发热，导通脉冲的周期T_P越大，则将降低MOS管的最高温度。所以，导通脉冲周期T_P的取值大于MOS管最高工作频率对应的周期时间。当整流稳压电容电压达到U_DT之后，如情况(2)所述，上电冲击控制电路输出信号控制MOS管完全导通，整流稳压电容电压将跟随整流桥输入电压升高而充电，此时压差较小，不会再产生太大冲击电流，开关电源正常工作。因此，本发明方法在开关电源上电时能够实现对冲击电流的抑制。 

进一步的，通过T_DL和T_DH的设置，在满足抑制最大冲击电流的情况下，可以尽可能提高整流稳压电容初始充电速度，缩短开关电源上电稳定时间。正常工作时，MOS管的导通阻抗很低，不会增加过多的能量损耗。上电冲击控制电路还能够集成在开关电源控制芯片中，以增加开关电源控制芯片的功能，便于本方法的实际应用。 

附图说明

图1是一种现有的开关电源电路原理图； 

图2是本发明的开关电源电路原理图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。 

如图2所示为本发明的开关电源的电路原理图，整流稳压电容两端电压接入开关控制电路，开关控制电路再控制开关输出电路输出直流电压；整流稳压电容两端电压接入上电冲击控制电路，上电冲击控制电路的输出控制信号接入MOS管控制端。如果开关电源的输 入电压为单相交流电压，正常情况下有效值为220V，整流桥输入电压的最大值为311V，电压阈值U_DT设置为250V；所选的MOS管的导通延时为0.2μs，关断延时为1μs。当导通脉冲宽度T_D为0.2μs时，MOS管的导通阻抗约为100～300欧姆；T_D为1μs时，导通阻抗约为20～50欧姆；MOS管完全导通时，其导通阻抗为1～2欧姆。MOS管最高工作频率为150kHz，对应周期6.67μs，为了大于此值，上电冲击控制电路输出导通脉冲的周期T_P取值为10μs。对应整流稳压电容电压U_D等于0时的导通脉冲宽度T_DL取值0.2μs，对应整流稳压电容电压U_D等于250V时的导通脉冲宽度T_DH取值1μs。 

在开关电源上电瞬间，U_D=0时，即使整流桥输入电压的最大值达到311V，如果MOS管在T_D=0.2μs时的导通阻抗为100欧姆，因此输入电流最大为3.11A，导通电流得到抑制。随着整流稳压电容开始充电，U_D逐渐升高，T_D增大，导通阻抗减小，整流稳压电容两端的电压减小。当U_D等于250V时，如果整流输出的电压为最大值311V，整流桥输入电压和整流稳压电容电压的最大电压差为61V，如果MOS管在T_D=1.0μs时的导通阻抗为20欧姆，输入电流最大为3.05A。当U_D大于250V之后，则上电冲击控制电路的输出控制信号为导通状态，MOS管完全导通，此时由于开关电源的工作，整流稳压电容向开关控制电路输出电能，同时整流稳压电容电压会跟随整流桥输入电压上升过程进行充电，因为压差小，并且MOS管具有导通阻抗，不会产生太大的冲击电流。而MOS管的导通阻抗为1～2欧姆，此时MOS管造成的能量功耗也很小。 

上电冲击控制电路根据整流稳压电容两端电压为MOS管提供导通控制信号，该电路为现有技术，有多种实现方式，在此不再赘述。 

Claims (2)

1.开关电源的上电冲击电流抑制方法，该开关电源包括整流器和整流器输出端连接的一个整流稳压电容，其特征在于，所述整流稳压电容与一个MOS管串联，该MOS管与整流稳压电容形成的串联支路连接在整流器输出端之间；所述开关电源还设有一个输出控制信号与所述MOS管控制端相连接的上电冲击控制电路，该上电冲击控制电路采样所述整流稳压电容的两端电压，并根据整流稳压电容两端电压为MOS管提供导通控制信号输出；

该方法包括如下步骤：上电冲击控制电路依据如下两种情况输出控制信号：

(1)当整流稳压电容两端电压U_D小于设定电压阈值U_DT，则上电冲击控制电路输出控制信号为周期为T_P、导通脉冲宽度为T_D的脉冲，通过调节导通脉冲宽度T_D，控制MOS管的导通阻抗，抑制上电冲击电流；

(2)当U_D大于设定电压阈值U_DT，则上电冲击控制电路的输出控制信号为MOS管导通所对应的电平信号，控制MOS管导通；

在情况(1)中上电冲击控制电路依据整流稳压电容两端电压U_D、采用线性方式调控导通脉冲宽度T_D，满足如下关系：

$T_D=\frac{T_{\mathrm{DH}}-T_{\mathrm{DL}}}{U_{\mathrm{DT}}}\&times;U_D+T_{\mathrm{DL}},$

其中，T_DL和T_DH分别为U_D等于0和U_DT时的导通脉冲宽度，且T_DL<T_DH≤T_P，当导通脉冲宽度满足T_DL<T_D<T_DH时，MOS管的导通阻抗随T_D增大而减小。

2.根据权利要求1所述的上电冲击电流抑制方法，其特征在于，周期T_P的取值大于MOS管最高工作频率对应的周期时间。