浪涌电流入门指南
2020-6-17
所有电源在启动时电流会高于工作电流，原因是多重的；输入电路和 EMC 滤波器的各种电容充电中，变压器铁芯内的磁场逐渐增强，输出滤波电容也正在通电。转换器开始稳定运行后，输入电流就会回落到原本的水平，根据不同的电源输入和输出之间的关系而定。
输入浪涌电流
电源转换器的浪涌电流出现的时间通常非常短暂（几十微秒），但已高出工作电流许多。图 1 是一个 5W DC/DC 转换器的示波器迹线，该转换器在满载期间从 48V 电源消耗 120mA 电流，但浪涌电流峰值可达 1.34A，是正常的七倍。如果电源有过流快速反应机制，浪涌电流高峰时可能会导致转换器关机或进入过载保护状态。
图 1：DC/DC 转换器典型浪涌电流
浪涌电流大部分是由输入电容造成的，因为电容直接跨接在内部电源轨上。开关合闸时，该电容让输入端子之间直接短路，电流由下式给出：
公式中的 Iin(t) 是电容电流（由时间而定）、Vin 是电源电压、R 是电源的输出电阻加上电容的 ESR 以及任何互连电阻，而 C 是输入电容。当 t=0 时指数为 1，因此输入电流的唯一限制是电阻 R 和电源的电流能力。当 t >>1 时指数为零，输入电流与工作电流相同。
在图 1 中可以观察到一个额外的假象；在第一个浪涌电流峰值之后，输入电流没有回落到工作电流，而是在短时间内变为负值，经过震荡之后稳定。这种振荡意味着电流周期性地从转换器流回电源。这种「负」电流带来的影响是输入电压可能会暂时高于电源电压！图 2 为输入电压曲线。随着输入电压上升，从电源汲取的电流增加，但在输入电流达到峰值并变为负值后，电流从转换器流出并流入电源，从而使输入电压持续上升。经过几个循环之后，输入电压才回稳到电源值。
图 2：输入合闸过电压示例
输入电压可能高于电源电压以及输入电流也可能变为负值的原因是因为我们在开启的状态下处理一个非常动态的系统。输入线缆、电路板走线和连接器的阻抗不仅仅是一个简单的电阻，而是一个复杂的分布阻抗，它与转换器的阻抗和负载相互作用并形成一个会振荡的传输线电路：
图 3：简化的电源连接与转换器及其等效传输线之比较
一般说来，输入浪涌峰值电流比输入过电压更为麻烦，除非电源电缆很长或主电源不是低阻抗电源。过电压峰值会超过转换器的额定电压并造成损坏。
减少输入过电压转换
减少长电缆末端过电压转换的最简单方法是在 DC/DC 转换器的端子间加一个电解电容。电解具有高电容和相对较高的等效串联电阻 (ESR)。高电容吸收过压尖峰，高 ESR 则有助于抑制振荡。
在以下示例中，DC/DC LED 驱动器是由 15m 长的电缆以 48V供电。第一张图是在没有输入电容器（峰值=71V）的转换器上测得的输入电压，第二张是使用 100µF 电容器（峰值=55V），而最后一张使用的是 220µF 电容器（过阻尼到 48V）。
图 4. 不同的输入电容对长电缆末端输入电压的影响
降低输入浪涌电流（AC/DC 电源）
在许多 AC/DC 电源中，高浪涌电流会导致保险丝或过流保护器误跳闸。解决方法是添加串联电阻以限制输入电流直到转换器启动。
负温度系数 (NTC) 热敏电阻是电阻值随温度增大而减小的一种电阻。上电时，器件为高电阻，浪涌电流受到限制。由于工作电流流过热敏电阻导致它迅速升温并变为低电阻，因此转换器能够全功率输出。虽然这是一种便宜且紧凑的解决方案，但热敏电阻在正常运行期间会变得非常热从而降低转换器效率；如果交流输入在冷却之前重启上电也会让它无效。
一种更有效的解决方案是使用 NTC 热敏电阻，然后在转换器运行后用继电器触点或三端双向可控硅开关将其短路。虽然这个解决方案体积更大且成本更高，但是效率不但更高还可以对电源中断做出快速反应，这是因为 NTC 热敏电阻在正常运行期间处于低温状态。
图 5 为两种 RECOM 产品（RACM60 和 RACM550），它们使用热敏电阻和热敏电阻加继电器的方法。
图 5. 使用 NTC 热敏电阻或继电器开关 NTC（红圈）来限制浪涌电流
降低输入浪涌电流（DC/DC电源）
在 DC/DC 转换器方面，热敏电阻也可作为浪涌电流的限制器，但如果热敏电阻处在低温时电阻会过高，DC/DC 转换器就无法汲取足够的电流来启动。因此更常见的做法是添加一个电感器来限制浪涌电流。这还有另一个优点就是可以作为输入滤波器，若是当作 Pi 型滤波器的话能减少传导 EMI 干扰。浪涌电流在电源电压电容器 C1 以及 C2 和转换器所需的由电感限制的输入电流（虚线所示）之间分配。
图 6. 使用输入 pi 型滤波器降低 DC/DC 转换器的浪涌电流
若是更高功率的 DC/DC 转换器，输入电感器可能会大到无法接受或过于昂贵才足以降低浪涌电流。此外，如果没有阻尼技术，滤波器会产生谐振导致过压甚至造成转换器不稳定。因此另一种方法是使用有源限流电路，例如 RECOM DC/DC 转换器知识手册)第 4.7 章中所示的软启动电路：
图 7. 使用 N 沟道 MOSFET 以绕过限流电阻的软启动电路
上电时晶体管 Q1 断开，转换器由限流电阻 Rlimit 供电。电容C1则由电阻R1缓慢充电。当电压超过 MOSFET 的栅极电压时，它导通并绕过限流电阻。R2 与 R1 一起作为分压器将最大栅极电压限制在安全水平内，并在断电时为 C1 放电以重置保护。
图7所示的电路采用低成本N沟道MOSFET，但缺点是需要使用大功率限流电阻Rlimit。如果空间受限可以省略 Rlimit 并将 MOSFET 的沟道电阻当作电流限制，然而控制力不如使用单独的电阻器来得好。该电路也可以反相运用，作用在正向电源轨上的限流电阻，采用 P 沟道 MOSFET 跟电阻一起或在 MOSFET 的欧姆区运行。不使用单独电阻时还有另一个好处，就是 MOSFET 会阻止反极性连接。两个或多个 MOSFET 可以并联以加强处理电流的能力，如图 9 所示（RECOM RPMD 系列）。
图 8. 在欧姆区使用 P 沟道 MOSFET 来限制浪涌电流的软启动电路
图 9. 并联有源浪涌电流限制 MOSFET 的输入滤波器
我们可以提供协助
某些 AC/DC 和 DC/DC 应用可能会有浪涌电流的问题，导致主电源的保险丝跳闸或启动过流保护机制，或者更严重的导致转换器故障。然而可以采用几种技术来避免这些情况。如果您的应用中有浪涌电流的问题，请联系 RECOM 技术支持或向我们经验丰富的销售工程师寻求建议。
RECOM 在所有高功率的 AC/DC 电源中内置浪涌电流限制器，无论是板外还是 PCB 板载的版本。然而，如果许多电源并联到同一条电源线，例如 LED 照明应用，那么即使在每个控制装置中有单独的浪涌电流限制器，组合电流仍是一个问题。因此，RECOM 在 AC/DC LED 驱动器数据表中注明自动断路器的最大负载，具体则由不同类型（B、C 或 D）和额定电流而定。
RECOM: 启动您的产品
电源转换器的浪涌电流出现的时间通常非常短暂（几十微秒），但已高出工作电流许多。图 1 是一个 5W DC/DC 转换器的示波器迹线，该转换器在满载期间从 48V 电源消耗 120mA 电流，但浪涌电流峰值可达 1.34A，是正常的七倍。如果电源有过流快速反应机制，浪涌电流高峰时可能会导致转换器关机或进入过载保护状态。
图 1：DC/DC 转换器典型浪涌电流
浪涌电流大部分是由输入电容造成的，因为电容直接跨接在内部电源轨上。开关合闸时，该电容让输入端子之间直接短路，电流由下式给出：
公式中的 Iin(t) 是电容电流（由时间而定）、Vin 是电源电压、R 是电源的输出电阻加上电容的 ESR 以及任何互连电阻，而 C 是输入电容。当 t=0 时指数为 1，因此输入电流的唯一限制是电阻 R 和电源的电流能力。当 t >>1 时指数为零，输入电流与工作电流相同。
在图 1 中可以观察到一个额外的假象；在第一个浪涌电流峰值之后，输入电流没有回落到工作电流，而是在短时间内变为负值，经过震荡之后稳定。这种振荡意味着电流周期性地从转换器流回电源。这种「负」电流带来的影响是输入电压可能会暂时高于电源电压！图 2 为输入电压曲线。随着输入电压上升，从电源汲取的电流增加，但在输入电流达到峰值并变为负值后，电流从转换器流出并流入电源，从而使输入电压持续上升。经过几个循环之后，输入电压才回稳到电源值。
图 2：输入合闸过电压示例
输入电压可能高于电源电压以及输入电流也可能变为负值的原因是因为我们在开启的状态下处理一个非常动态的系统。输入线缆、电路板走线和连接器的阻抗不仅仅是一个简单的电阻，而是一个复杂的分布阻抗，它与转换器的阻抗和负载相互作用并形成一个会振荡的传输线电路：
图 3：简化的电源连接与转换器及其等效传输线之比较
一般说来，输入浪涌峰值电流比输入过电压更为麻烦，除非电源电缆很长或主电源不是低阻抗电源。过电压峰值会超过转换器的额定电压并造成损坏。
减少输入过电压转换
减少长电缆末端过电压转换的最简单方法是在 DC/DC 转换器的端子间加一个电解电容。电解具有高电容和相对较高的等效串联电阻 (ESR)。高电容吸收过压尖峰，高 ESR 则有助于抑制振荡。
在以下示例中，DC/DC LED 驱动器是由 15m 长的电缆以 48V供电。第一张图是在没有输入电容器（峰值=71V）的转换器上测得的输入电压，第二张是使用 100µF 电容器（峰值=55V），而最后一张使用的是 220µF 电容器（过阻尼到 48V）。
图 4. 不同的输入电容对长电缆末端输入电压的影响
降低输入浪涌电流（AC/DC 电源）
在许多 AC/DC 电源中，高浪涌电流会导致保险丝或过流保护器误跳闸。解决方法是添加串联电阻以限制输入电流直到转换器启动。
负温度系数 (NTC) 热敏电阻是电阻值随温度增大而减小的一种电阻。上电时，器件为高电阻，浪涌电流受到限制。由于工作电流流过热敏电阻导致它迅速升温并变为低电阻，因此转换器能够全功率输出。虽然这是一种便宜且紧凑的解决方案，但热敏电阻在正常运行期间会变得非常热从而降低转换器效率；如果交流输入在冷却之前重启上电也会让它无效。
一种更有效的解决方案是使用 NTC 热敏电阻，然后在转换器运行后用继电器触点或三端双向可控硅开关将其短路。虽然这个解决方案体积更大且成本更高，但是效率不但更高还可以对电源中断做出快速反应，这是因为 NTC 热敏电阻在正常运行期间处于低温状态。
图 5 为两种 RECOM 产品（RACM60 和 RACM550），它们使用热敏电阻和热敏电阻加继电器的方法。
图 5. 使用 NTC 热敏电阻或继电器开关 NTC（红圈）来限制浪涌电流
降低输入浪涌电流（DC/DC电源）
在 DC/DC 转换器方面，热敏电阻也可作为浪涌电流的限制器，但如果热敏电阻处在低温时电阻会过高，DC/DC 转换器就无法汲取足够的电流来启动。因此更常见的做法是添加一个电感器来限制浪涌电流。这还有另一个优点就是可以作为输入滤波器，若是当作 Pi 型滤波器的话能减少传导 EMI 干扰。浪涌电流在电源电压电容器 C1 以及 C2 和转换器所需的由电感限制的输入电流（虚线所示）之间分配。
图 6. 使用输入 pi 型滤波器降低 DC/DC 转换器的浪涌电流
若是更高功率的 DC/DC 转换器，输入电感器可能会大到无法接受或过于昂贵才足以降低浪涌电流。此外，如果没有阻尼技术，滤波器会产生谐振导致过压甚至造成转换器不稳定。因此另一种方法是使用有源限流电路，例如 RECOM DC/DC 转换器知识手册)第 4.7 章中所示的软启动电路：
图 7. 使用 N 沟道 MOSFET 以绕过限流电阻的软启动电路
上电时晶体管 Q1 断开，转换器由限流电阻 Rlimit 供电。电容C1则由电阻R1缓慢充电。当电压超过 MOSFET 的栅极电压时，它导通并绕过限流电阻。R2 与 R1 一起作为分压器将最大栅极电压限制在安全水平内，并在断电时为 C1 放电以重置保护。
图7所示的电路采用低成本N沟道MOSFET，但缺点是需要使用大功率限流电阻Rlimit。如果空间受限可以省略 Rlimit 并将 MOSFET 的沟道电阻当作电流限制，然而控制力不如使用单独的电阻器来得好。该电路也可以反相运用，作用在正向电源轨上的限流电阻，采用 P 沟道 MOSFET 跟电阻一起或在 MOSFET 的欧姆区运行。不使用单独电阻时还有另一个好处，就是 MOSFET 会阻止反极性连接。两个或多个 MOSFET 可以并联以加强处理电流的能力，如图 9 所示（RECOM RPMD 系列）。
图 8. 在欧姆区使用 P 沟道 MOSFET 来限制浪涌电流的软启动电路
图 9. 并联有源浪涌电流限制 MOSFET 的输入滤波器
我们可以提供协助
某些 AC/DC 和 DC/DC 应用可能会有浪涌电流的问题，导致主电源的保险丝跳闸或启动过流保护机制，或者更严重的导致转换器故障。然而可以采用几种技术来避免这些情况。如果您的应用中有浪涌电流的问题，请联系 RECOM 技术支持或向我们经验丰富的销售工程师寻求建议。
RECOM 在所有高功率的 AC/DC 电源中内置浪涌电流限制器，无论是板外还是 PCB 板载的版本。然而，如果许多电源并联到同一条电源线，例如 LED 照明应用，那么即使在每个控制装置中有单独的浪涌电流限制器，组合电流仍是一个问题。因此，RECOM 在 AC/DC LED 驱动器数据表中注明自动断路器的最大负载，具体则由不同类型（B、C 或 D）和额定电流而定。
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