CN105322522A - 直流电源的浪涌电流抑制方法及电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流电源的浪涌电流抑制方法及电路。该方法包括：二次电源接入供电电源，并通过恒流源电路为储能单元充电；电压检测电路在检测到储能单元中储能电容的电压达到预定电压值后，驱动延时电路；延时电路驱动开关单元缓慢打开，直到完全导通开关单元；开关单元将恒流源电路旁路，并为储能单元进行充电。借助于本发明的技术方案，即能够抑制冲击电流，又降低了缓启动开关的开启时的压降。

Description

直流电源的浪涌电流抑制方法及电路

技术领域

本发明涉及通讯电源设备领域，特别是涉及一种直流电源的浪涌电流抑制方法及电路。

背景技术

在通信设备中，供电电源是以不同的方式为二次电源供电的系统设备，在二次电源与供电电源之间会有接入的储能单元，该储能单元接入供电电路中，在系统上电过程中会瞬态产生冲击电流，此电流的瞬态变化会造成输入电源电压的跌落，或者二次设备接入供电电源时出现电弧现象，对于电源内部器件造成冲击，例如缓启动开关的瞬态功率过大。电源输入的冲击电流拟制电路在通信设备中应用广泛。

电源输入启动容性负载电流的抑制电路是电源前端电路的重要组成部分，冲击电流抑制电路可以减缓电源上电对输入端口及内部电路的冲击，输入缓启动开关瞬态功率抑制，尽可能使电流缓慢上升，使其得到保护。

在现有技术中，抑制的方案常用的有三种：

方案一：在输入小功率的电路中，串入负温度系数的热敏电阻来抑制冲击电流，使输入电流随热敏电阻温度升高，阻值下降的变化而变化，但此方案应用范围太小，热敏的电阻的热耗较大，而且对系统的效率影响较大。如图1所示，在开关K1闭合瞬间，电路中的NTC(负温度系数的热敏电阻，一般几欧姆～十几欧姆)抑制在开关闭合瞬间的冲击电流，此方案对冲击电流的抑制效果很好，但是在系统正常负载时，随温度升高，NTC的阻值下降到1欧姆左右(温度低于100度)，此电阻的功耗随负载电流的增大而上升，电阻的热应力非常大，因此只限于小功率电路应用，而且NTC对线路的效率影响较大。

方案二：在二次输入的-48V线路中串入金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor，简称为MOSFET)，通过控制MOSFET的门极电压上升时间，使MOSFET从高阻区缓慢变化到开关状态，该方案MOSFET在开启瞬态产生大量的热耗，从而使MOSFET的应力瞬态增加，甚至超过器件的雪崩能量而损坏。如图2所示，当V1的电压通过K1闭合加到电路中时，电阻R1，R2，C2组成的延时充电电路，使Q1的Vgs缓慢上升，Vgs大于MOSFET的Vth(开关门限电压)电压时进入开关状态，在此过程中对储能电容C1进行充电，在Vgs上升到Vth前，MOSFET经过放大区，由于半导体器件的米勒电容会在Vgs上升过程中米勒平台，在此期间MOSFET经过一个很短时间的大电流(最大冲击电流)和最大电压(基本和输入电源电压相等)的电流电压同时存在，MOSFET这个时间的瞬态功率有可能会超出安全工作区或雪崩能量，极大降低了电路的可靠性。

方案三：在方案二的基础上的一种方案，在Q1的D-S并接分流电阻R3,如图3所示，在K1闭合瞬间，Q1的在Vgs上升到Vth前，Q1呈现高阻抗，大部分充电电流由R3为C1充电，当Q1的在Vgs上升到Vth后，Q1完全导通，Q1继续大电流为C1充电，Q1的直流导通电阻毫欧级，实际充电电流基本均通过Q1开关。此过程很好的降低输入的冲击电流，Q1启动是瞬态的电压还是和输入电源电压基本一致，使得冲击电流降低，管子的瞬态功率也降低。但是Q1的G-S并接的电阻在系统正常负载电流时，在Q1受到意外的损伤，Vgs电压变化时，Q1出现高阻抗，而负载电流通过电阻提供，此时并接的电阻热耗非常大，出现电阻本体被烧坏和PCB被烧的严重故障。

作为输入电源和二次电源之间的冲击电流抑制电路和降低开关瞬态功率，首先要满足输入电流能够缓慢变化，降低对接口及电路其他的器件的冲击、误动作，提供电路工作的可靠性。其次在正常工作时，系统的大电流工作时，尽量降低热耗，如果采用上述方案，都无法满足大电流电路的需求，而且严重影响系统效率，降低系统的可靠性，并且不能满足系统的节能需求。

发明内容

为了解决现有技术中输入电源和二次电源之间的冲击电流和开关瞬态功率过大导致的对电源内部器件造成冲击的问题，提出了一种直流电源的浪涌电流抑制方法及电路。

本发明提供一种直流电源的浪涌电流抑制方法，包括：

二次电源接入供电电源，并通过恒流源电路为储能单元充电；

电压检测电路在检测到储能单元中储能电容的电压达到预定电压值后，驱动延时电路；

延时电路驱动开关单元缓慢打开，直到完全导通开关单元；

开关单元将恒流源电路旁路，并为储能单元进行充电。

优选地，二次电源接入供电电源具体包括：二次电源直接接入供电电源，或者，二次电源通过开关的控制接入供电电源。

优选地，延时电路驱动开关单元缓慢打开，直到完全导通开关单元具体包括：延时电路驱动开关单元的Vgs电压缓慢上升，并在Vgs电压大于开关单元的开启电压后，完全导通开关单元。

优选地，延时电路包括：电子延时开关；恒流源电路包括：由半导体、电阻、以及电容组成的恒流源电路，或者，由集成芯片和运算放大器组成的恒流源电路；电压检测电路包括：电阻、半导体器件、以及运算放大器组成的检查电路。

优选地，开关单元为晶体管。

本发明还提供了一种直流电源的浪涌电流抑制电路，包括：

恒流源电路，与储能单元串联，用于在二次电源接入供电电源后，为储能单元充电；

电压检测电路，与储能单元并联，用于检测储能单元中储能电容的电压，并在该电压达到预定电压值后，驱动延时电路；

延时电路，与储能单元并联，用于驱动开关单元缓慢打开，直到完全导通开关单元；

开关单元，与储能单元串联，与恒流源电路并联，用于在完全导通后将恒流源电路旁路，并为储能单元进行充电。

优选地，二次电源直接与供电电源连接，或者，二次电源通过开关与供电电源连接。

优选地，延时电路具体用于：驱动开关单元的Vgs电压缓慢上升，并在Vgs电压大于开关单元的开启电压后，完全导通开关单元。

优选地，延时电路包括：电子延时开关；恒流源电路包括：由半导体、电阻、以及电容组成的恒流源电路，或者，由集成芯片和运算放大器组成的恒流源电路；电压检测电路包括：电阻、半导体器件、以及运算放大器组成的检查电路。

优选地，开关单元为晶体管。

本发明有益效果如下：

本发明实施例的技术方案将串联开关单元缓启动过程改进为分段式充电，当开关闭合时，先由恒流源电路充电，再通过检测储能电容的电压到设定值时，打开延时电路，驱动串联的开关电源充电，借助本发明实施例的技术方案，即能够抑制冲击电流，又降低了缓启动开关的开启时的压降，电路实现简单，开关器件容易选型，不影响系统的效率，不受负载电流的影响，使电路工作的可靠性及效率有很大的提高。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是现有技术中方案一的电路结构示意图；

图2是现有技术中方案二的电路结构示意图；

图3是现有技术中方案三的电路结构示意图；

图4是本发明实施例的直流电源的浪涌电流抑制方法的流程图；

图5是本发明实施例的恒流源电路的示意图；

图6是本发明实施例的电压检测电路和延时驱动电路的示意图；

图7是本发明实施例的直流电源的浪涌电流抑制电路的优选电路结构示意图一；

图8是本发明实施例的直流电源的浪涌电流抑制电路的优选电路结构示意图二；

图9是本发明实施例的直流电源的浪涌电流抑制电路的优选电路结构示意图三；

图10是本发明实施例的直流电源的浪涌电流抑制电路的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

一般在供电直流电源和负载之间都会有储能单元，其作用稳定输入电源电压的波动，平衡负载端的输入阻抗，但储能单元的引入，在输入电源启动时，电路首先对储能电容充电，在充电开始有非常大的di/dt，充电的峰值电流，其值约为输入最高电源电压/(线路阻抗+电容的直流等效电阻)，在-48V系统中线路的阻抗和电解电容的等效串联电阻(EquivalentSeriesResistance，简称为ESR)毫欧级，当开关闭合和热插拔时，冲击电流可以达到几十安培电流，如此大的峰值电流会对输入电源，及线路里其他元件会有冲击。因此，为了解决现有技术中输入电源和二次电源之间的冲击电流和开关瞬态功率过大导致的对电源内部器件造成冲击的问题，本发明提供了一种直流电源的浪涌电流抑制方法及电路：二次电源在接入供电电源或通过开关接入到供电电源后，通过恒流源电路为储能单元充电。恒流源电路在给储能单元充电时，当储能电容电压上升到一定电压(此电压可以设定)，电压检测电路驱动延时电路动作，驱动开关器件慢慢打开，切换到开关器件对储能电容充电。开关单元完全导通，恒流源电路被开关器件旁路，储能单元被开关单元短接到电路中。完成对电源起动时储能电容的冲击电流及开关器件的瞬态功耗的抑制过程。

以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

方法实施例

根据本发明的实施例，提供了一种直流电源的浪涌电流抑制方法，图4是本发明实施例的直流电源的浪涌电流抑制方法的流程图，如图4所示，根据本发明实施例的直流电源的浪涌电流抑制方法包括如下处理：

步骤401，二次电源接入供电电源，并通过恒流源电路为储能单元充电；其中，二次电源可以直接接入供电电源，或者，二次电源还可以通过开关的控制接入供电电源。上述恒流源电路可以为：由半导体、电阻、以及电容组成的恒流源电路，或者，也可以为由集成芯片和运算放大器组成的恒流源电路；

步骤402，电压检测电路在检测到储能单元中储能电容的电压达到预定电压值后，驱动延时电路；延时电路可以为电子延时开关；电压检测电路可以为电阻、半导体器件、以及运算放大器组成的检查电路。

步骤403，延时电路驱动开关单元缓慢打开，直到完全导通开关单元；延时电路驱动开关单元的Vgs电压缓慢上升，并在Vgs电压大于开关单元的开启电压后，完全导通开关单元。上述开关单元为晶体管。其中，Vgs是指晶体管栅极和源极间的电压；

步骤404，开关单元将恒流源电路旁路，并为储能单元进行充电。

需要说明的是，本发明实施例的恒流源电路、电压检测电路、以及延时电路的电路结构有多种，只要其电路结构能够完成上述相应功能均可以。下面会结合附图对上述各个电路的结构进行举例说明。

以下结合附图，对本发明实施例的技术方案进行详细说明。

图5是本发明实施例的恒流源电路的示意图，如图5所示，R1、R2、Q2、Q3组成恒流源电路，对储能电容C2充电，R1并接在Q2的基极和发射极，R1两端的电压被基-射极之间的PN节电压箝位，使R1上能通过的电流被限定在PN节电压除以R1内，储能电容C2充电电流以最大PN节电压除以R1的电流充电。恒流源电路充电时，Q2的e极对输入地的电压也可以起到箝位作用，同时对缓起MOSFET的Vds也箝位，降低缓启动开关在主路开关或热插拔时的电压应力，抑制了电路在开关开启或热插拔时的冲击电流。由于对充电电流进行了限定，此处并联对器件功耗可以控制在电路能承受对范围内。

图6是本发明实施例的电压检测电路和延时驱动电路的示意图，如图6所示，R4、D1、Q4组成储能电容C2电压检测电路，当开关闭合后，储能电容C2充电电压达到设置值时，Q4导通，开启驱动延时电路动作。图6中的R3、R5、R8、C1、Q5组成延时驱动电路，在Q4导通后，电路通过R5、Q5为电容C1充电，Q1的Vgs电压出现缓慢上升，直到Vgs大于其开启电压完全导通，在此过程中完成对储能电容的二次充电。在恒流源的第一次充电和Q1开启过程中的二次充电中，冲击电流得到很好的抑制，同时Q1的Vds也被箝位，因此Q1的瞬态功率应力也降低很多，提高Q1开关器件的可靠性。

图7是本发明实施例的直流电源的浪涌电流抑制电路的优选电路结构示意图一，图8是本发明实施例的直流电源的浪涌电流抑制电路的优选电路结构示意图二，图9是本发明实施例的直流电源的浪涌电流抑制电路的优选电路结构示意图三，可以看出，如图7、8、9所示，给出了直流电源的浪涌电流抑制电路中恒流源电路、电压检测电路、以及延时电路的多种电路结构，上述三种结构均能够实现相应的功能。下面以图7的电路结构为例进行详细说明：

如图7所示，在开关闭合或热插拔时，R1、R2、Q2、Q3恒流源开始为C1充电，当充电电压充到设定值，(设定值由R3、Q4、D1组成对充电电压检测电路确定)，Q4导通，R6、Q5、C2组成对Q1对栅源极充电电路动作，在充电的过程中，Q1-Vds电压随充电时间而下降，Q1开始导通，充电由恒流源电路切换到Q1-Id电流给电容C1充电，直到Q1完全导通，在此两个阶段充电过程中，将输入直流电源启动容性负载冲击电流可以很好的抑制到较低的范围内，而且Q1的瞬态功率降低很多，对电路有很好的保护作用，不影响电路的使用效率，同时提高了电路的可靠性。

图8、图9所示的电路结构和图7所示的电路结构虽然有所区别，但其组成的各个电路所实现的功能与图7所示电路结构所实现的功能相同，在此不再对图8、9的电路结构进行详述。

装置实施例

根据本发明的实施例，提供了一种直流电源的浪涌电流抑制电路，图10是本发明实施例的直流电源的浪涌电流抑制电路的结构示意图，如图10所示，根据本发明实施例的直流电源的浪涌电流抑制电路包括：恒流源电路10、电压检测电路12、延时电路14、以及开关单元16，以下对本发明实施例的各个模块进行详细的说明。

恒流源电路10，与储能单元串联，用于在二次电源接入供电电源后，为储能单元充电；其中，二次电源直接与供电电源连接，或者，二次电源通过开关与供电电源连接。恒流源电路10包括：由半导体、电阻、以及电容组成的恒流源电路10，或者，由集成芯片和运算放大器组成的恒流源电路10；

电压检测电路12，与储能单元并联，用于检测储能单元中储能电容的电压，并在该电压达到预定电压值后，驱动延时电路14；电压检测电路12包括：电阻、半导体器件、以及运算放大器组成的检查电路。

延时电路14，与储能单元并联，用于驱动开关单元16缓慢打开，直到完全导通开关单元16；延时电路14具体用于：驱动开关单元16的Vgs电压缓慢上升，并在Vgs电压大于开关单元16的开启电压后，完全导通开关单元16。延时电路14包括：电子延时开关；

开关单元16，与储能单元串联，与恒流源电路10并联，用于在完全导通后将恒流源电路10旁路，并为储能单元进行充电。开关单元16为晶体管。

本发明实施例的上述各个电路可以有多种电路结构，其优选的三种电路结构如图7、8、9所示，可以参照上面实施例的内容进行理解，在此不再赘述。

综上所述，借助于本发明实施例的技术方案，即能够抑制冲击电流，又降低了缓启动开关的开启时的压降，电路实现简单，开关器件容易选型，不影响系统的效率，不受负载电流的影响，使电路工作的可靠性及效率有很大的提高。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种直流电源的浪涌电流抑制方法，其特征在于，包括：

二次电源接入供电电源，并通过恒流源电路为储能单元充电；

电压检测电路在检测到所述储能单元中储能电容的电压达到预定电压值后，驱动延时电路；

所述延时电路驱动开关单元缓慢打开，直到完全导通所述开关单元；

所述开关单元将所述恒流源电路旁路，并为所述储能单元进行充电。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，二次电源接入供电电源具体包括：

所述二次电源直接接入所述供电电源，或者，所述二次电源通过开关的控制接入所述供电电源。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述延时电路驱动开关单元缓慢打开，直到完全导通所述开关单元具体包括：

所述延时电路驱动所述开关单元的Vgs电压缓慢上升，并在所述Vgs电压大于所述开关单元的开启电压后，完全导通所述开关单元。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述延时电路包括：电子延时开关；所述恒流源电路包括：由半导体、电阻、以及电容组成的所述恒流源电路，或者，由集成芯片和运算放大器组成的所述恒流源电路；所述电压检测电路包括：电阻、半导体器件、以及运算放大器组成的检查电路。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述开关单元为晶体管。

6.一种直流电源的浪涌电流抑制电路，其特征在于，包括：

恒流源电路，与所述储能单元串联，用于在二次电源接入供电电源后，为储能单元充电；

电压检测电路，与所述储能单元并联，用于检测所述储能单元中储能电容的电压，并在该电压达到预定电压值后，驱动延时电路；

所述延时电路，与所述储能单元并联，用于驱动开关单元缓慢打开，直到完全导通所述开关单元；

所述开关单元，与所述所述储能单元串联，与所述恒流源电路并联，用于在完全导通后将所述恒流源电路旁路，并为所述储能单元进行充电。

7.如权利要求6所述的电路，其特征在于，所述二次电源直接与所述供电电源连接，或者，所述二次电源通过开关与所述供电电源连接。

8.如权利要求6所述的电路，其特征在于，所述延时电路具体用于：驱动所述开关单元的Vgs电压缓慢上升，并在所述Vgs电压大于所述开关单元的开启电压后，完全导通所述开关单元。

9.如权利要求6所述的电路，其特征在于，所述延时电路包括：电子延时开关；所述恒流源电路包括：由半导体、电阻、以及电容组成的所述恒流源电路，或者，由集成芯片和运算放大器组成的所述恒流源电路；所述电压检测电路包括：电阻、半导体器件、以及运算放大器组成的检查电路。

10.如权利要求6所述的电路，其特征在于，所述开关单元为晶体管。