CN216599405U - 一种浪涌电流的抑制电路及电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种浪涌电流的抑制电路及电源，包括EMI模块、整流模块、浪涌电流限制模块、电流采样模块和后级电路；整流模块的输出端连接浪涌电流限制模块的输入端，浪涌电流限制模块的输出端连接后级电路的输出端，浪涌电流限制模块的采样端连接电流采样模块；EMI模块对电源信号进行EMI处理；整流模块进行整流处理并输出整流信号；电流采样模块对后级电路的电流进行采样并输出电流采样信号；浪涌电流限制模块根据电流采样信号对整流的输出进行限流控制，以抑制浪涌电流。本实用新型有效抑制用电设备输入电压启动、中断或者切换过程中产生的浪涌电流，避免前级供电设备因过流而保护或者损坏。

Description

一种浪涌电流的抑制电路及电源

技术领域

本实用新型涉及电源的技术领域，更具体地说，涉及一种浪涌电流的抑制电路及电源。

背景技术

在开关电源等大功率电源产品中，通常存在较大的电解电容，在开机电源启动瞬间或者输入电源中断(Rid-through)时，对后级电解电容充电的电流较大，会出现很大的峰值电流，这种电流称为浪涌电流(Inrush current)。浪涌电流通常可达数百甚至数千安培的电流，如此大的电流若不加以限制或者抑制，会造成输入电压瞬间降压，及导致电源产品中的电子元件容易损耗和寿命减少。

现有大部抑制浪涌电流的方法，采用限流电阻与继电器并联后串联在主回路，来抑制一定程度的浪涌电流。对于现有的方案，虽然在输入电源启动或者输入电压切换时，负温度系数热敏限流电阻器(NTC)处于常温，自身电阻较高，能够一定程度的限制浪涌电流。但是由于限流电阻为无源器件，不能灵活的控制浪涌电流的大小。例如NTC电阻器的限流效果受环境温度影响较大。在低温(零下)启动时，电阻过大，充电电流过小，开关电源可能无法启动，如果在高温启动，电阻器的阻值过小，则可能达不到限制浪涌电流的效果，因此，限流效果在短暂的输入主电网中断时不理想或者失效。另外在输入电源反复开关时(多次Rid-through)；多次之后NTC电阻器的温度会非常高，阻值很小，在电源中断期间，电解电容已被放电，而NTC电阻器高温低电阻模态，需要电源马上重新启动时，NTC无法有效地实现限流作用。因此，在用电设备输入电压中断或者输入电压切换等过程中，还是会产生较大的浪涌电流，从而可能导致前级供电设备因过流而保护或损坏。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种浪涌电流的抑制电路及电源。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种浪涌电流的抑制电路，包括：EMI模块、整流模块、浪涌电流限制模块、电流采样模块以及后级电路；

所述EMI模块的输入端连接输入电源，所述EMI模块的输出端连接所述整流模块的输入端，所述整流模块的输出端连接所述浪涌电流限制模块的输入端，所述浪涌电流限制模块的输出端连接所述后级电路的输出端，所述浪涌电流限制模块的采样端连接所述电流采样模块；

所述EMI模块用于对所述输入电源产生的电源信号进行EMI处理；

所述整流模块用于对经过所述EMI模块EMI处理后的输入信号进行整流处理并输出整流信号；

所述电流采样模块用于对所述后级电路的输入端的电流进行采样，并输出电流采样信号；

所述浪涌电流限制模块用于接收所述电流采样信号，并根据所述电流采样信号对所述整流信号进行限流控制，以抑制浪涌电流。

在本实用新型所述的浪涌电流的抑制电路中，所述整流模块包括：第一组成模式、第二组成模式或者第三组成模式；

所述第一组成模式包括：四个分立的二极管；

所述第二组成模式包括：整流桥；

所述第三组成模式包括：单向导通的有源器件。

在本实用新型所述的浪涌电流的抑制电路中，所述浪涌电流限制电路包括：继电器、有源开关、限流电阻以及控制器；

所述有源开关的输入端与所述整流模块的输出端连接，所述有源开关的输出端与所述限流电阻的输入端连接，所述限流电阻的输出端与所述后级电路的输入端连接，所述有源开关的控制端与所述控制器的输出端连接，所述继电器的第一端连接所述整流模块的输出端，所述继电器的第二端连接所述后级电路的输入端，所述继电器的控制端连接所述控制器，所述控制器的采样端连接所述电流采样模块。

在本实用新型所述的浪涌电流的抑制电路中，所述有源开关包括：绝缘栅双极型晶体管、MOS场效应管或者可控功率器件。

在本实用新型所述的浪涌电流的抑制电路中，所述限流电阻包括：定值电阻或者负温度系数的热敏电阻；所述定值电阻大于或者等于零。

在本实用新型所述的浪涌电流的抑制电路中，所述后级电路包括：第二电感、防反电路、储能电路、续流电路以及开关管；

所述第二电感的输入端连接所述限流电阻的输出端和所述继电器的第二端，所述第二电感的输出端连接所述防反电路的输入端，所述防反电路的输出端连接所述储能电路的第一端，所述储能电路的第二端通过所述电流采样模块连接所述续流电路的第二端，所述续流电流的第一端连接所述第二电感的输入端，所述续流电路的第二端还连接至所述整流模块；所述开关管的第一端连接在所述第二电感与所述防反电路的输入端之间，所述开关管的第二端连接在所述储能电路的第二端与所述电流采样模块之间，所述开关管的控制端与所述控制器连接。

在本实用新型所述的浪涌电流的抑制电路中，所述防反电路包括：二极管、MOS管或者有源可控开关。

在本实用新型所述的浪涌电流的抑制电路中，所述控制器的输出端输出的控制信号包括：脉冲驱动信号或者线性可调的驱动电压。

本实用新型还提供一种电源，包括以上所述的抑制浪涌电流的控制电路。

实施本实用新型的浪涌电流的抑制电路及电源，具有以下有益效果：包括：EMI模块、整流模块、浪涌电流限制模块、电流采样模块和后级电路；EMI模块的输入端连接输入电源，EMI模块的输出端连接整流模块的输入端，整流模块的输出端连接浪涌电流限制模块的输入端，浪涌电流限制模块的输出端连接后级电路的输出端，浪涌电流限制模块的采样端连接电流采样模块；EMI模块对电源信号进行EMI处理；整流模块进行整流处理并输出整流信号；电流采样模块进行电流采样，并输出电流采样信号；浪涌电流限制模块根据电流采样信号对整流信号进行限流控制，以抑制浪涌电流。本实用新型可以有效抑制用电设备输入电压中断或者输入电压切换过程中产生的浪涌电流，避免前级供电设备因过流而保护或者损坏。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是本实用新型实施例提供的浪涌电流的抑制电路的原理框图；

图2是本实用新型提供的浪涌电流的抑制电路一可选实施例的电路原理图；

图3是本实用新型实施例的有源开关导通时的充电电流回路；

图4是本实用新型实施例的有源开关闭合时的放电电流回路。

具体实施方式

为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本实用新型的具体实施方式。

参考图1，为本实用新型提供的浪涌电流的抑制电路一可选实施例的原理框图。

如图1所示，该浪涌电流的抑制电路包括：EMI模块101、整流模块102、浪涌电流限制模块103、电流采样模块104以及后级电路105。

EMI模块101的输入端连接输入电源，EMI模块101的输出端连接整流模块102的输入端，整流模块102的输出端连接浪涌电流限制模块103的输入端，浪涌电流限制模块103的输出端连接后级电路105的输出端，浪涌电流限制模块103的采样端连接电流采样模块104。

其中，EMI模块101用于对输入电源产生的电源信号进行EMI处理。其中，EMI模块101可采用现有常规的EMI电路实现，本实用新型不作具体限定，只要可起到EMI作用即可。例如，如图2所示，在该实施例中，该EMI模块101可包括：共模电感。通过设置该EMI模块101可使输入信号更加稳定。

整流模块102用于对经过EMI模块101EMI处理后的输入信号进行整流处理并输出整流信号。一些实施例中，整流模块102包括：第一组成模式、第二组成模式或者第三组成模式。其中，第一组成模式包括：四个分立的二极管。第二组成模式包括：整流桥。第三组成模式包括：单向导通的有源器件。

电流采样模块104用于对后级电路105的输入端的电流进行采样，并输出电流采样信号。可选的，一些实施例中，该电流采样模块104可以包括：采样电阻，通过设置采样电阻，可以对后级电路105的输出端的电流进行采样，并将电流采样信号传送给浪涌电流限制模块103。

浪涌电流限制模块103用于接收电流采样信号，并根据电流采样信号对回路电流进行限流控制，以抑制浪涌电流。具体的，当输入电源正常工作时，整流模块102输出的整流信号通过浪涌电流限制模块103后，流入后级电路105，对后级电路105进行正常充电。当输入电源的在启动、输入电压中断或者输入电源的输入电压切换时，浪涌电流限制模块103可以根据电流采样模块104采集的电流采样信号快速精准地进行控制浪涌电流限制模块103中的有源开关的导通或者关闭，采样电流大于等于设置的阈值浪涌电流时，关闭有源开关，采样电流小于设置的阈值浪涌电流时，开通有源开关，从而有效抑制浪涌电流。

一些实施例中，浪涌电流限制电路包括：继电器、有源开关、限流电阻以及控制器。可选的，本实用新型实施例中，该控制器可以采用现有的具有电流采集功能及对有源开关可进行脉冲控制功能或者线性控制功能的芯片，包括但不限于单片机、嵌入式芯片等。

有源开关的输入端与整流模块102的输出端连接，有源开关的输出端与限流电阻的输入端连接，限流电阻的输出端与后级电路105的输入端连接，有源开关的控制端与控制器的输出端连接，继电器的第一端连接整流模块102的输出端，继电器的第二端连接后级电路105的输入端，继电器的控制端连接控制器，控制器的采样端连接电流采样模块104。

可选的，本实用新型例中，有源开关包括：绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、MOS场效应管或者可控功率器件。

一些实施例中，限流电流包括：定值电阻或者负温度系数的热敏电阻。其中，该定值电阻可以大于等于零。

一些实施例中，后级电路105包括：第二电感、防反电路、储能电路、续流电路以及开关管。

第二电感的输入端连接限流电阻的输出端和继电器的第二端，第二电感的输出端连接防反电路的输入端，防反电路的输出端连接储能电路的第一端，储能电路的第二端通过电流采样模块104连接续流电路的第二端，续流电流的第一端连接第二电感的输入端，续流电路的第二端还连接至整流模块102；开关管的第一端连接在第二电感与防反电路的输入端之间，开关管的第二端连接在储能电路的第二端与电流采样模块104之间，开关管的控制端与控制器连接。

一些实施例中，防反电路包括：二极管、MOS管或者有源可控开关。

可选的，控制器的输出端输出的控制信号包括：脉冲驱动信号或者线性可调的驱动电压。

本实用新型可以适应不同的电路系统；限流电阻可为大于等于零的定值电阻或者负温度系数的热敏电阻，抗浪涌的冲击能力强，在高温、常温、低温等不同温度环境下，不会随温度变化发生漂移，在电路反复开关时，也能保证电路性能不发生变化。

参考图2，为本实用新型提供的浪涌电流的抑制电路一可选实施例的电路原理图。

如图2所示，该实施例中，输入电源为Vin2。EMI模块101包括：共模电感CM2。整流模块102包括：整流桥BD2。浪涌电流限制电路包括：继电器RL2、有源开关Q2、限流电阻NTC2以及控制器U2。后级电路105包括：第二电感L2、防反二极管D2、续流二极管D3、开关管S2以及储能电容C2。电流采样模块104包括：采样电阻Rs2。

如图2所示，共模电感CM2的第一端连接输入电源的第一端，共模电感CM2的第二端连接输入电源的第二端，共模电感CM2的第三端连接整流桥BD2的第一输入端，共模电感CM2的第四端连接整流桥BD2的第二输入端，整流桥BD2的第一输出端连接有源开关Q2的输入端和继电器RL2的第一端，整流桥BD2的第第二输出端连接续流二极管D3的阳极和采样电阻Rs2的第一端，有源开关Q2的输出端连接限流电阻NTC2的输入端，限流电阻NTC2的输出端和继电器RL2的第二端连接第二电感L2的第一端和续流二极管D3的阴极，第二电感L2的第二端连接防反二极管D2的阳极和开关管S2的第一端，防反二极管D2的阴极连接储能电容C2及负载的第一端，储能电容C2及负载的第二端连接开关管S2的第二端和采样电阻Rs2的第二端。

电源正常工作时，如图2所示，继电器RL2是处于闭合状态，输入电源、共模电感CM2、整流桥BD2、继电器RL2、第二电感L2、防反二极管D2、储能电容C2、开关管S2以及采样电阻Rs2组成升压(Boost)电路，Boost电路正常工作。

当输入电源中断或者输入电源切换时，输入电源没有能量输入，储能电容C2的两端电压将由于负载的存在开始跌落(该跌落过程有几毫秒至几十毫秒)，此时，控制器U2检测到输入电压中断或者切换，控制继电器RL2断开，同时关闭Boost电路(即控制开关管S2截止)，等输入电压回归正常输入时，经过整流模块102后的电压高于此时储能电容C2的电压，由于继电器RL2处于断开状态，Boost电路已经停止工作，即开关管S2保持截止，此时，通过控制器U2输出控制信号至有源开关Q2，控制有源开关Q2导通，输入电源的输入电压通过给第二电感L2、储能电容C2充电，流过第二电感L2和储能电容C2的电流会在这个过程上升，第二电感L2、防反二极管D2、储能电容C2组成同一电流流经回路，电流回路经过如图3所示，经过采样电阻Rs2的电流等于流过储能电容C2及负载的电流，通过采样电阻Rs2采集并输出至控制器U2，当流过采样电阻Rs2的电流达到设置限流值(可在控制器U2内部预设定浪涌电流限流阈值)，控制器U2经过比较后，输出控制信号控制有源开关Q2断开；当有源开关Q2断开后，由于第二电感L2的电流不能突变为0，储存的能量继续释放，其所释放的电流通过防反二极管D2、储能电容C2、采样电阻Rs2、续流二极管D3持续放电给储能电容C2(电流回路如图4所示)，充电周期完成后，经过控制器U2的一定周期的控制再次开通有源开关Q2，重新给第二电感L2充电，当采样电阻Rs2的电流达到浪涌电流限流阈值时，再次断开有源开关Q2，从而形成“长时间小电流充电”，避免传统充电模式导致的“短时间大电流充电”。

如图3所示，为有源开关Q2闭合时的电流回路，此时，第二电感L2为储能作用，输入电源的输入电压依次经过共模电感CM2、整流桥BD2、有源开关Q2、限流电阻NTC2、第二电感L2、防反二极管D2对储能电容C2充电。如图4所示，为有源开关Q2断开时的电流回路，此时，由于有源开关Q2断开，且此时继电器RL2也断开，输入电源的输入电压不能通过，第二电感L2、防反二极管D2、储能电容C2、续流二极管D3、采样电阻Rs2形成电流回路，由续流电感和续流二极管D3的续流作用，持续对储能电容C2进行充电。整个过程组成降压(Buck)电路功能。

上述电路在电源启动、中断或者切换输入重新回电后，由于整流模块102后的电压高于储能电容C2及负载两端的电压，会使电路中产生一个很大的浪涌电流，这样的浪涌电流如果不进行限制，会对后级电路或其他器件造成损坏。采用本实用新型的浪涌电流的抑制电路，可以避免对后级电路或者其他器件造成损坏。具体操作如下：

当输入电源中断或者输入电源切换，控制器U2先控制继电器RL2关闭，等待输入电压回归时，通过对采样电阻Rs2两端的电压进行采样并输送到控制器U2，控制器U2将采样电阻Rs2两端的电压信号转换成电流值，并将转换成的电流值(采样电流值)与阈值电流值进行对比和运算，如果采样电流小于设置的阈值电流值，控制器U2将通过内部的驱动模块输出高电平驱动(Vg_H)，使得有源开关Q2处于导通状态，并保持一直导通，时间为Ton，如果采样电流大于等于设置的阈值电流值，控制器U2将通过内部的驱动模块输出低电平驱动(Vg_L)，使得有源开关Q2保持一直关断，时间为Toff,其中Toff是由预设置周期总时间(T)减去前一周期中导通时间Ton,即Toff＝T-Ton。本实用新型实施例中，阈值电流值((Inrush_th)可由控制器U2可以根据不同情况和需要进行设置和调整。U2采集控制模块将会对采集的电流值和设置的阈值电流值对比和运算。

当有源开关Q2处于导通状态时，Vin2、共模电感CM2、整流桥BD2、有源开关Q2、限流电阻NTC2、第二电感L2、防反二极管D2、储能电容C2、负载、采样电阻Rs2组成闭合回路，流过第二电感L2的电流开始上升，流过采样电阻Rs2的电流等于流过第二电感L2的电流。

由于流过采样电阻Rs2的电流在持续上升，给储能电容C2及负载充电，当电流达到预设置值Inrush_th，控制器U2将通过内部的驱动模块关闭有源开关Q2，即输出低电平(Vg_L)。有源开关Q2关断后，第二电感L2的能量不能突变为0，会通过第二电感L2、防反二极管D2、储能电容C2、采样电阻Rs2、续流二极管D3组成闭合放电回路，给储能电容C2及负载充电，使得第二电感L2的电流从Inrush_th开始下降，时间为时Toff，其中Toff是由预设置周期总时间(T)减去前一周期中导通时间Ton，即Toff＝T-Ton。

通过上述控制形成反复周期的“长时间小电流充电”整个过程等效为降压“Buck”电路模式。当储能电容C2和负载两端的电压等于或者大于整流模块后的电压后，就不会在有浪涌电流，此后关闭有源开关Q2，打开第二继电器RL2，电路回归到正常Boost工作模式。整个过程使得浪涌电流抑制在小于等于阈值电流值(Inrush_th)。

本实用新型可以根据不同情况和需要调整浪涌电流限流阈值，从而实现浪涌电流限流值的灵活设置，不受高低温环境对限流电阻的影响。同时，通过采样电阻进行电流采样和检测，为控制器提供开通或者关闭有源开关，相较于单纯通过时间进行估计判断控制更加精确。

另外，本实用新型与传统技术中通过串联负温度系数热敏限流电阻器来抑制浪涌电流的原理有着本质的不同，本实用新型的浪涌电流抑制电路通过软硬件结合来改变限流模式，将传统的限流模式(限流电路导通后就持续充电)改变为脉冲式充电模式或者线性控制模式，通过多次脉冲充电，将输出电容C2电压逐步抬升至工作电压，从而形成“长时间小电流充电”，避免传统充电模式导致的“短时间大电流充电”。

以上实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据此实施，并不能限制本实用新型的保护范围。凡跟本实用新型权利要求范围所做的均等变化与修饰，均应属于本实用新型权利要求的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种浪涌电流的抑制电路，其特征在于，包括：EMI模块、整流模块、浪涌电流限制模块、电流采样模块以及后级电路；

所述EMI模块的输入端连接输入电源，所述EMI模块的输出端连接所述整流模块的输入端，所述整流模块的输出端连接所述浪涌电流限制模块的输入端，所述浪涌电流限制模块的输出端连接所述后级电路的输入端，所述浪涌电流限制模块的采样端连接所述电流采样模块；

所述EMI模块用于对所述输入电源产生的电源信号进行EMI处理；

所述整流模块用于对经过所述EMI模块EMI处理后的输入信号进行整流处理并输出整流信号；

所述电流采样模块用于对所述后级电路的输入端的电流进行采样，并输出电流采样信号；

所述浪涌电流限制模块用于接收所述电流采样信号，并根据所述电流采样信号对所述整流信号进行限流控制，以抑制浪涌电流。

2.根据权利要求1所述的浪涌电流的抑制电路，其特征在于，所述整流模块包括：第一组成模式、第二组成模式或者第三组成模式；

所述第一组成模式包括：四个分立的二极管；

所述第二组成模式包括：整流桥；

所述第三组成模式包括：单向导通的有源器件。

3.根据权利要求1所述的浪涌电流的抑制电路，其特征在于，所述浪涌电流限制电路包括：继电器、有源开关、限流电阻以及控制器；

所述有源开关的输入端与所述整流模块的输出端连接，所述有源开关的输出端与所述限流电阻的输入端连接，所述限流电阻的输出端与所述后级电路的输入端连接，所述有源开关的控制端与所述控制器的输出端连接，所述继电器的第一端连接所述整流模块的输出端，所述继电器的第二端连接所述后级电路的输入端，所述继电器的控制端连接所述控制器，所述控制器的采样端连接所述电流采样模块。

4.根据权利要求3所述的浪涌电流的抑制电路，其特征在于，所述有源开关包括：绝缘栅双极型晶体管、MOS场效应管或者可控功率器件。

5.根据权利要求3所述的浪涌电流的抑制电路，其特征在于，所述限流电阻包括：定值电阻或者负温度系数的热敏电阻；所述定值电阻大于或者等于零。

6.根据权利要求3所述的浪涌电流的抑制电路，其特征在于，所述后级电路包括：第二电感、防反电路、储能电路、续流电路以及开关管；

所述第二电感的输入端连接所述限流电阻的输出端和所述继电器的第二端，所述第二电感的输出端连接所述防反电路的输入端，所述防反电路的输出端连接所述储能电路的第一端，所述储能电路的第二端通过所述电流采样模块连接所述续流电路的第二端，所述续流电路的第一端连接所述第二电感的输入端，所述续流电路的第二端还连接至所述整流模块；所述开关管的第一端连接在所述第二电感与所述防反电路的输入端之间，所述开关管的第二端连接在所述储能电路的第二端与所述电流采样模块之间，所述开关管的控制端与所述控制器连接。

7.根据权利要求6所述的浪涌电流的抑制电路，其特征在于，所述防反电路包括：二极管、MOS管或者有源可控开关。

8.根据权利要求3所述的浪涌电流的抑制电路，其特征在于，所述控制器的输出端输出的控制信号包括：脉冲驱动信号或者线性可调的驱动电压。

9.一种电源，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的浪涌电流的抑制电路。

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