CN217824723U - 抑制开关电源浪涌电流的电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种抑制开关电源浪涌电流的电路，包括储能单元，开关单元，分流单元以及分压控制单元；所述的储能单元一端分别连接前级电路一端和后级电路一端，另一端分别连接后级电路另一端以及经分流单元连接前级电路另一端；所述的开关单元的两端分别连接分流单元的两端；所述的分压控制单元的两端连接储能单元的两端；且分压控制单元还连接开关单元的控制端，并控制开关单元两端的电压；当该电压达到开关单元的开启电压时，开关单元导通。通过使用简单电路实现对主回路开关器件的控制，解决浪涌电流的问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种防浪涌电流电路，尤其涉及一种抑制开关电源浪涌电流的电路。
背景技术
目前，开关电源是一种常见的电源模块，通过控制开关管导通和关断来控制电源输出能力，具有体积小，功率密度高，传输效率高等优点。其工作原理可以概述为：对于直流转直流模块，输入电源通过开关器件的开关动作可以变成脉动波形，然后通过滤波或整流将脉动波形变成需要的电能。
现有技术中，如图1所示，将开关电源分成输入端、功率转换级和电源输出端。其中，输入和电源输出端一般都会接电容用于稳压和滤波；功率转换级一般是由电感、电容、开关管或变压器等元器件组成的拓扑。开关电源模块输入端一般会有输入的支撑电容，该电容的容值较大。根据电容的特性，当电容两端刚开始接上电压源，电容相当于短路状态，此时电流会特别大，随着电容的充电，电容电压不断上升，电流就会越来越小。图中电容C1就是电源输入端的母线支撑电容，其容值会很大，开始瞬时电流也会很大，因此很容易触发前一级电路的保护功能，甚至会造成前一级电路不工作或者损坏。
为了解决浪涌电流的问题，常用方案有以下两种：如图2所示，在支撑电容之前加上一个限流电阻，限流电阻一般会选择NTC热敏电阻。因为如果将普通电阻一直放置在功率回路中，功耗会很大，而且NTC热敏电阻拥有负温度特性，当温度升高时，电阻值也会减少，故而优选NTC热敏电阻。虽然使用NTC电阻能够抑制浪涌电流，但是NTC热敏电阻一直处于功率回路中，会一直消耗额外的能量，对电源转换效率的提高效果有限；而且，由于NTC热敏电阻温度下降需要时间，因此直流电源无法在关断后马上开启，将会限制直流电源的应用场景。
又如图3所示，将限流电阻和开关器件(平时为断开)并联在一起使用，当电路平稳运行后，电容两端电压和输入端电压相等，开关器件导通，限流电阻便不会起作用，减少了额外的能量消耗。但是，这种方式一般需要使用微控制器对开关器件进行控制，当支撑电容充满后，由微控制器控制开关管导通，不仅额外占用微控制器的资源，而且电路复杂、成本高。
由此可见，以上防浪涌电流电路都存在各自的缺陷，基于此，本申请亟待研究出一种新型电路，既不需要额外耗能，也不需要额外占用资源，并且能够解决浪涌电流的问题。
实用新型内容
针对上述现存的技术问题，本实用新型提供一种抑制开关电源浪涌电流的电路，通过使用简单电路，实现对主回路开关器件的控制，进而实现对浪涌电流的抑制。
为实现上述目的，本实用新型提供一种抑制开关电源浪涌电流的电路，包括储能单元，开关单元，分流单元以及分压控制单元；所述的储能单元一端分别连接前级电路一端和后级电路一端，另一端分别连接后级电路另一端以及经分流单元连接前级电路另一端；所述的开关单元的两端分别连接分流单元的两端；所述的分压控制单元的两端连接储能单元的两端；且分压控制单元还连接开关单元的控制端，并控制开关单元两端的电压；当该电压达到开关单元的开启电压时，开关单元导通。
上述技术方案中，在电路上电初期，储能单元与前级电路之间连接有分流单元，可以有效限制上电瞬间的浪涌电流，降低器件的电流应力限流电阻。并且，在充电过程中，分压控制单元能够控制开关单元的开闭。此时，分流单元被短路，可以降低分流单元的能耗，提高电源转换效率。
进一步，所述的储能单元为电容。
进一步，所述的分流单元为限流电阻。
上述技术方案中，电路上电时，前级电路输入的电能通过分流单元到达储能单元，可以有效限制上电瞬间的浪涌。当电流分压控制单元控制开关单元导通后，限流电阻被短路，充电电流通过开关单元到达储能单元，继续给储能单元充电，直至充电完成，如此降低了分流单元的能耗。
进一步，所述的开关单元为场效应晶体管，继电器，三极管或者IGBT。
更进一步，所述的场效应晶体管为N沟道MOS场效应晶体管。
上述技术方案中，当场效应晶体管的电压Vgs上升到开启电压时，场效应晶体管被打开，充电电流将不会再经过限流电阻，而是经过场效应晶体管给储能单元充电。
进一步，所述的分压控制单元包括第一电阻和第二电阻；第二电阻的一端连接储能单元的一端，另一端连接第一电阻的一端，第一电阻的另一端连接储能单元的另一端，且第一、二电阻的公共端连接开关单元的控制端。
上述技术方案中，通过选择合适阻值的第一、二电阻，可以确定开关单元开闭的启动条件，从而调整开关单元的闭合时间。
更进一步，所述的分压控制单元还包括稳压二极管；稳压二极管的两极分别连接第一电阻的两端。
更进一步，所述的分压控制单元还包括分压电容；分压电容的两端分别连接第一电阻的两端。
进一步，所述的前级电路包括电源输入端。
进一步，所述的后级电路包括功率转换级和电源输出端。
更进一步，所述的电源输出端的两极分别连接电容C2的两端。
本实用新型克服了现有技术采用NTC热敏电阻额外耗能，以及额外占用微控制器的技术缺点，使用简单电路来实现对主回路开关器件的控制，不仅解决了浪涌电流的问题，还具有如下技术优点：
1、电阻R3作为功率回路的限流电阻，对浪涌电流起到很大的抑制作用，降低了器件的电流应力。
2、只需对分压电阻R1和R2的阻值进行合理设计，就可以达到灵活控制场效应晶Q1导通时机的效果，电路简单，成本低。
3、降低了器件的能耗，提高了电源转换效率，提高了电路的可靠性。
4、避免了前级电路因电流太大而造成故障，降低了维护成本。
附图说明
图1为现有技术中开关电源的电路图；
图2为现有技术中开关电源使用NTC电阻抑制浪涌电流的电路图；
图3为现有技术中开关电源使用MCU抑制浪涌电流的电路图；
图4为本实用新型的电原理框图；
图5为本实用新型一种实施例的电路图；
图6为图5电路未接限流电阻时的支撑电容电压和功率电流的仿真波形图；
图7为图5电路的支撑电容电压和功率电流的仿真波形图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
可以理解，以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。
首先，如图4所示，本实用新型包括储能单元，开关单元，分流单元以及分压控制单元。所述的储能单元一端分别连接前级电路一端和后级电路一端，另一端分别连接后级电路另一端以及经分流单元连接前级电路另一端。所述的开关单元的两端分别连接分流单元的两端。所述的分压控制单元的两端连接储能单元的两端。且分压控制单元还连接开关单元的控制端，并控制开关单元两端的电压，当该电压达到开关单元的开启电压时，开关单元导通。
具体的，所述的储能单元为电容。所述的分流单元为限流电阻。所述的开关单元可以采用场效应晶体管，也可以换成继电器，三极管，IGBT等其他开关器件。所述的分压控制单元包括第一电阻和第二电阻；第二电阻的一端连接储能单元的一端，另一端连接第一电阻的一端，第一电阻的另一端连接储能单元的另一端，且第一、二电阻的公共端连接开关单元的控制端。
其次，实施时，如图5所示：电容C1为开关电源的母线支撑电容，常选择电解电容；场效应晶体管Q1为N沟道MOS场效应晶体管；体二极管D2为场效应晶体管Q1内部的一个等效的二极管；电阻R3为限流电阻；电阻R1和R2为分压电阻；稳压二极管D1是指利用pn结反向击穿状态，其电流在很大范围内变化而电压基本不变的现象，起稳压作用的二极管，其稳压值根据mos管的Vgs确定；分压电容C3为滤波电容；电容C2为电源输出端的母线支撑电容，常选择电解电容。
具体电路连接关系如下：前开关电源包括电源输入端，功率转换级和电源输出端，且功率转换级的两输出端分别连接电源输出端的正负极，母线支撑电容C2的两端分别连接电源输出端的正负极，起到维持母线电压稳定的作用。
电源输入端负极分别连接场效应晶体管Q1的源极S和衬底，体二极管D2的阴极和阳极分别连接场效应晶体管Q1的源极S和漏极D；电阻R3两端分别连接效应晶体管Q1的源极S和漏极D，且电阻R3为功率回路的限流电阻，能够对浪涌电流起到很大的抑制作用。
场效应晶体管Q1的漏极D分别连接母线支撑电容C1的一端和功率转换级的一输入端；母线支撑电容C1的另一端分别连接电源输入端的正极和功率转换级的另一输入端。且母线支撑电容C1起到维持母线电压稳定的作用。
电阻R1的一端连接母线支撑电容C1的一端，电阻R1的另一端串联电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接母线支撑电容C1的另一端。电阻R1和R2的作用是采集母线支撑电容C1两边的电压。
电阻R1、R2串联的公共端连接场效应晶体管Q1的栅极G，且电阻R1上的电压能够将控制场效应晶体管Q1的导通截止。
稳压二极管D1的阴极和阳极分别连接电阻R1的一端和电阻R1、R2的公共端。当放置电压升高至超过场效应晶体管Q1的栅极G相对于源极S的电压Vgs的最大电压时，场效应晶体管Q1会损坏，而稳压二极管D1能够稳住电阻R1两端的电压，提高了电路的可靠性。
电容C3的两端分别连接电阻R1的两端，负责滤掉电阻R1两端电压的纹波。
再者，上述电路的运行原理和工作过程如下：
S1、将开关电源的电源输入端接入上一级，在电路上电初期，母线支撑电容C1相当于短路，由限流电阻R3承受电源输入端电压Vin，此时，电路功率电流I被限制为：
而且，由于母线支撑电容C1两端的电压为零，则场效应晶体管Q1的电压Vgs(栅极G相对于源极S的电压)没有达到开启电压，此时充电电流通过限流电阻R3给母线支撑电容C1充电，可以有效地限制上电瞬间的浪涌电流，降低器件的电流应力，提高电路的可靠性。
S2、接着，母线支撑电容C1开始充电，母线支撑电容C1两端的电压Vc1逐渐上升，此时场效应晶体管Q1的电压Vgs(栅极G相对于源极S的电压)也随之上升，计算公式为：
当场效应晶体管Q1的电压Vgs上升到开启电压时，场效应晶体管Q1被打开，限流电阻R3被短路，充电电流将不会再经过限流电阻R3，而是经过场效应晶体管Q1给母线支撑电容C1充电，直至充电完成。
与此同时，只需要根据使用情况设置采样电阻R1和R2的阻值，便可以设置何时开启场效应晶体管Q1，无需增加微控制器，就可以灵活控制场效应晶体管Q1导通时机的效果，减少浪涌电流和损耗，而且电路简单，成本低。
S3、最后，母线支撑电容C1两端的电压Vc1上升至等于电源输入端电压Vin，此时电路处于稳态，场效应晶体管Q1会一直打开，而限流电阻R3会一直被短路，不再额外消耗能量，可以较大程度地提高电源的转换效率。且即使电路关断后马上开启，也依然具备限制浪涌电流的功能，应用场景灵活。
由上述可知，限流电阻R3对解决浪涌电流的问题起到了很大的作用，为了进一步验证限流电阻R3的作用，将未接限流电阻R3的电路与本实用新型电路就行比较测试，图5和图6分别为无限流电阻R3的电路和采用本本实用新型电路限流后的支撑电容电压和功率电流的仿真波形。
如图6所示，设置输入电压为100V、导线电阻为1Ω、母线支撑电容C1为200uf，从图中可以看到：随着母线支撑电容C1两端的电压Vc1的上升，功率电流最大能够达到100A，浪涌电流较大。
如图7所示，设置输入电压为100V、导线电阻为1Ω、母线支撑电容为200uf、限流电阻为10Ω。由于设置采样电阻R1和R2的阻值，便可以设置何时开启场效应晶Q1，设置公式为：
则分压电阻设置为R1为100K，R2为5.8K，V目标为90V，目的是想让母线支撑电容C1电压Vc1升到90V时，场效应晶体管Q1导通。
图7为母线支撑电容电压90V开启场效应晶体管Q1的图形。随着母线支撑电容C1两端的电压Vc1上升，功率电流的最大值还没有达到10A。当场效应晶体管Q1导通后，由于限流电阻R3的撤去，母线支撑电容C1两端的电压Vc1和电源输入端电压Vin之间还存在压差，所以功率电流还会上升，但依然没有达到10A。由此可以证实：相对于图5所示的功率电流值，本实用新型增加限流电阻R3的电路设计对浪涌电流具有很强的抑制作用，并且在抑制浪涌电流的同时提高了电源的转换效率。
综上，上述电路无需增加控制器和采样电路，只需对分压电阻进行合理设计，就可以达到灵活控制开关单元导通时机的效果，电路简单，成本低。且充电结束后，分流单元不再额外消耗能量。不仅电路设计简单，而且有利于降低电路的成本，减少额外的能耗，提高电源转换效率。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上该实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种抑制开关电源浪涌电流的电路，其特征在于，包括储能单元，开关单元，分流单元以及分压控制单元；
所述的储能单元一端分别连接前级电路一端和后级电路一端，另一端分别连接后级电路另一端以及经分流单元连接前级电路另一端；
所述的开关单元的两端分别连接分流单元的两端；
所述的分压控制单元的两端连接储能单元的两端；
且分压控制单元还连接开关单元的控制端，并控制开关单元两端的电压；
当该电压达到开关单元的开启电压时，开关单元导通。
2.根据权利要求1所述的一种抑制开关电源浪涌电流的电路，其特征在于，所述的储能单元为电容。
3.根据权利要求1所述的一种抑制开关电源浪涌电流的电路，其特征在于，所述的分流单元为限流电阻。
4.根据权利要求1所述的一种抑制开关电源浪涌电流的电路，其特征在于，所述的开关单元为场效应晶体管，继电器，三极管或者IGBT。
5.根据权利要求4所述的一种抑制开关电源浪涌电流的电路，其特征在于，所述的场效应晶体管为N沟道MOS场效应晶体管。
6.根据权利要求1所述的一种抑制开关电源浪涌电流的电路，其特征在于，所述的分压控制单元包括第一电阻和第二电阻；第二电阻的一端连接储能单元的一端，另一端连接第一电阻的一端，第一电阻的另一端连接储能单元的另一端，且第一、二电阻的公共端连接开关单元的控制端。
7.根据权利要求6所述的一种抑制开关电源浪涌电流的电路，其特征在于，所述的分压控制单元还包括稳压二极管；稳压二极管的两极分别连接第一电阻的两端。
8.根据权利要求6或7所述的一种抑制开关电源浪涌电流的电路，其特征在于，所述的分压控制单元还包括分压电容；分压电容的两端分别连接第一电阻的两端。
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Cited By (1)
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| CN116111822A (zh) * | 2023-02-20 | 2023-05-12 | 深圳福凯智联科技有限公司 | 一种开关的冲击电流抑制电路 |
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2021
- 2021-09-08 CN CN202122163637.0U patent/CN217824723U/zh active Active
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Legal Events
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Denomination of utility model: Circuit for Suppressing Surge Current in Switching Power Supply Granted publication date: 20221115 Pledgee: Bank of China Limited Chongqing Jiangbei Branch Pledgor: Chongqing diange Technology (Group) Co.,Ltd. Registration number: Y2025500000017 |
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