浪涌電流的危害 控制浪涌電流的常用方法

引言：在進(jìn)行工程設(shè)計時，我們常常關(guān)注電壓的安全性，因為電流的不好直接測量，導(dǎo)致對電流的關(guān)注比較少，但其實電流中隱藏的浪涌也往往有很大的隱患。當(dāng)接通子系統(tǒng)時，電流最初流向負(fù)載上的電容或電感，這種電流通常被稱為浪涌電流。如果開關(guān)快速接通（例如在沒有控制轉(zhuǎn)換速率dv/dt的情況下），則電流可能大到足以中斷連接到同一輸入軌的其他子系統(tǒng)，在某些情況下，短時間內(nèi)的涌入電流可能會不可逆轉(zhuǎn)地?fù)p壞周圍的組件，甚至開關(guān)本身。

1.浪涌電流的危害

浪涌電流可能導(dǎo)致上游電源電壓下降，如果該電壓還為其他子系統(tǒng)供電，則子系統(tǒng)可能會出現(xiàn)故障或復(fù)位。在圖5-1中，開關(guān)被啟用，這會在輸入電源上產(chǎn)生快速瞬態(tài)電壓（dv/dt）和大電流尖峰，然后導(dǎo)致Vsupply電壓驟降，當(dāng)Vsw_out繼續(xù)打開時，電壓驟降是可見的。Vsupply上的電壓驟降導(dǎo)致DC/DC關(guān)閉，Vout衰減，直到Vsupply恢復(fù)到正常工作范圍內(nèi)。該場景演示了一個負(fù)載上的浪涌電流如何導(dǎo)致其它負(fù)載經(jīng)歷重置。

圖5-1：Vsw_out上的涌入電流，導(dǎo)致電源下降和復(fù)位

有些系統(tǒng)對從輸入中汲取的電流有限制，這些限制可能由安全標(biāo)準(zhǔn)、電纜/連接器額定值或需要保持在快熔斷保險絲的額定電流以下來設(shè)置，無法控制的浪涌電流可能會超出限制，導(dǎo)致合規(guī)性故障或電纜、連接器或保險絲損壞。

使用MOSFET作為電源開關(guān)可能會超過FET的安全操作區(qū)域（SOA）并損壞開關(guān)本身，大多數(shù)功率FET都給出了在給定的漏極到源極電壓（VDS）、環(huán)境溫度和指定的脈沖持續(xù)時間下，開關(guān)可以處理多少電流。如果FET快速導(dǎo)通，形成大的負(fù)載電容，則在導(dǎo)通時間Ton持續(xù)時間內(nèi)，通過FET的總能量為電容電壓平方的一半（CV2），該值可能超過FET的SOA曲線并損壞FET，如果相同大小的能量分布在更長的Ton上，那么FET有更多的時間來耗散熱量，設(shè)計才算合格。

2. 控制浪涌電流的常用方法

第一種是使用被動元件，如串聯(lián)電阻或負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻來減緩輸出。第二種是使用開關(guān)管理輸出電壓上升的轉(zhuǎn)換速率。第三種是使用限流器或設(shè)計用于提供恒定電流直到開關(guān)完全接通的器件，最新的方法是使用熱調(diào)節(jié)，在調(diào)節(jié)開關(guān)溫度的同時提供最大電流以防止故障。

缺陷：與電源串聯(lián)的電阻限制了負(fù)載的電流，純電阻器會將峰值涌入電流限制在VIN/R，這種技術(shù)將通過電阻器耗散功率，并限制負(fù)載在通電后可以汲取的電流。但由于效率低，該技術(shù)通常僅限于低電流應(yīng)用（通常遠(yuǎn)小于1A），圖5-2顯示了一個用于限制涌入電流的串聯(lián)電阻器。

圖5-2：使用串位電阻限制浪涌電流

如果串聯(lián)NTC，當(dāng)電流未流過時，電阻將處于高值，當(dāng)通電時，高電阻將允許少量電流通過，這將開始自加熱NTC自身并導(dǎo)致電阻下降，逐漸允許越來越多的電流通過負(fù)載，直到NTC完全打開。由于NTC性能嚴(yán)重依賴于環(huán)境溫度，因此它可能不適合需要寬工作溫度范圍的應(yīng)用，圖5-3顯示了如何使用串聯(lián)NTC熱敏電阻來限制浪涌電流。

圖5-3：使用串位NTC電阻限制浪涌電流

3. 轉(zhuǎn)換速率控制

控制開關(guān)接通的速率可以直接控制輸出電壓上升的速率，浪涌電流計算式為：

則對于給定的固定Cload，降低開關(guān)速度（dVout/dt）會降低Iinrush。

4. RC時間常數(shù)

對于分立電源開關(guān)，應(yīng)對浪涌電流的一種常見方法是插入一個RC網(wǎng)絡(luò)，以降低MOSFET的開關(guān)速度，如圖5-4所示：

圖5-4：具有RC上升時間以限制涌入電流的分立MOSFET

這是一種通過RC時間常數(shù)控制開關(guān)速度的簡單方法，雖然速度可以降低，總開啟時間可以增加，但注意dv/dt速度是非線性的，因此浪涌電流也是非線性的。開始開關(guān)將緩慢接通，并隨著開關(guān)完全接通而呈指數(shù)級增加，基于RC的浪涌電流見圖5-5。

圖5-5：基于RC的浪涌電流。

5. 線性軟啟動或dV/dt

許多集成電源開關(guān)具有線性控制輸出電壓上升時間的功能，這些開關(guān)具有固定或可調(diào)節(jié)的上升時間。在所有情況下，線性地控制輸出電壓上升時間意味著控制恒定的dVout/dt速率，在這種情況下，如果Cload是常數(shù)，dVout/dt是常數(shù)，那么Iinrush也將是常數(shù)，如圖5-6所示：

圖5-6：測量負(fù)載開關(guān)的線性dv/dt，以限制浪涌電流

與RC時間常數(shù)方法相比，線性軟啟動有幾個優(yōu)點，包括可以精確計算浪涌電流。在某些情況下，可能同時有最大浪涌電流限制和最大開啟時間要求，在這些情況下，如果RC時間常數(shù)需要很長時間才能接通，或者浪涌電流太高，那么線性控制方案可以滿足這兩個要求。如果不能滿足下述等式，那么除了改變設(shè)計架構(gòu)以消除這些限制，或者轉(zhuǎn)向更小的Cload或更低的Vout之外，就沒有其他解決方案：

6. 恒流/電流限制調(diào)節(jié)

與線性軟啟動方案類似，如果為純電容性負(fù)載供電，控制浪涌電流的恒流方法將產(chǎn)生相同的結(jié)果。如果用恒定的Iinrush充電，那么對于給定的Cload，將以恒定的dv/dt充電。

不同之處在于，線性軟啟動是調(diào)節(jié)電壓，而限流器是調(diào)節(jié)電流，一旦開始在電容之外引入負(fù)載，方法就會有所不同。如果有一個集成電路在輸出電壓完全開啟之前激活恒流功能，那么線性軟啟動方法將疊加該電流，恒流方法將改變其轉(zhuǎn)換速率，因為一些電流現(xiàn)在流向負(fù)載而不是輸出電容。

在圖5-7 /圖5-8中，線性軟啟動為輸出保持恒定的轉(zhuǎn)換速率，而當(dāng)負(fù)載在2.5V下開啟時，恒定電流限制將改變其轉(zhuǎn)換速率。

圖5-7：線性軟啟動或者dv/dt

圖5-8：恒流或者恒流限制調(diào)節(jié)

啟動期間的恒流限制有助于在開關(guān)仍處于接通狀態(tài)，并且負(fù)載可能接通的情況時，恒流限制提供保護(hù)，防止輸出短路等事件發(fā)生，重要的是要理解，這是啟動期間管理浪涌電流的一種形式。

7. 散熱

為了盡可能快地打開開關(guān)，但保持對開關(guān)的保護(hù)，有一種使用熱調(diào)節(jié)的方法，這在輸出電容大或未知的情況下（例如驅(qū)動板外負(fù)載）非常有用。一旦開關(guān)結(jié)溫上升到指定水平，器件就開始控制浪涌電流，以保持調(diào)節(jié)的結(jié)溫，這將持續(xù)到負(fù)載電容完全充滿電，或者超時，如圖5-9中所示。

圖5-9：使用4-VVIN，輸出電容為30mF。