浪涌电流的危害 控制浪涌电流的常用方法

引言：在进行工程设计时，我们常常关注电压的安全性，因为电流的不好直接测量，导致对电流的关注比较少，但其实电流中隐藏的浪涌也往往有很大的隐患。当接通子系统时，电流最初流向负载上的电容或电感，这种电流通常被称为浪涌电流。如果开关快速接通（例如在没有控制转换速率dv/dt的情况下），则电流可能大到足以中断连接到同一输入轨的其他子系统，在某些情况下，短时间内的涌入电流可能会不可逆转地损坏周围的组件，甚至开关本身。

1.浪涌电流的危害

浪涌电流可能导致上游电源电压下降，如果该电压还为其他子系统供电，则子系统可能会出现故障或复位。在图5-1中，开关被启用，这会在输入电源上产生快速瞬态电压（dv/dt）和大电流尖峰，然后导致Vsupply电压骤降，当Vsw_out继续打开时，电压骤降是可见的。Vsupply上的电压骤降导致DC/DC关闭，Vout衰减，直到Vsupply恢复到正常工作范围内。该场景演示了一个负载上的浪涌电流如何导致其它负载经历重置。

图5-1：Vsw_out上的涌入电流，导致电源下降和复位

有些系统对从输入中汲取的电流有限制，这些限制可能由安全标准、电缆/连接器额定值或需要保持在快熔断保险丝的额定电流以下来设置，无法控制的浪涌电流可能会超出限制，导致合规性故障或电缆、连接器或保险丝损坏。

使用MOSFET作为电源开关可能会超过FET的安全操作区域（SOA）并损坏开关本身，大多数功率FET都给出了在给定的漏极到源极电压（VDS）、环境温度和指定的脉冲持续时间下，开关可以处理多少电流。如果FET快速导通，形成大的负载电容，则在导通时间Ton持续时间内，通过FET的总能量为电容电压平方的一半（CV²），该值可能超过FET的SOA曲线并损坏FET，如果相同大小的能量分布在更长的Ton上，那么FET有更多的时间来耗散热量，设计才算合格。

2. 控制浪涌电流的常用方法

第一种是使用被动元件，如串联电阻或负温度系数（NTC）热敏电阻来减缓输出。第二种是使用开关管理输出电压上升的转换速率。第三种是使用限流器或设计用于提供恒定电流直到开关完全接通的器件，最新的方法是使用热调节，在调节开关温度的同时提供最大电流以防止故障。

缺陷：与电源串联的电阻限制了负载的电流，纯电阻器会将峰值涌入电流限制在VIN/R，这种技术将通过电阻器耗散功率，并限制负载在通电后可以汲取的电流。但由于效率低，该技术通常仅限于低电流应用（通常远小于1A），图5-2显示了一个用于限制涌入电流的串联电阻器。

图5-2：使用串位电阻限制浪涌电流

如果串联NTC，当电流未流过时，电阻将处于高值，当通电时，高电阻将允许少量电流通过，这将开始自加热NTC自身并导致电阻下降，逐渐允许越来越多的电流通过负载，直到NTC完全打开。由于NTC性能严重依赖于环境温度，因此它可能不适合需要宽工作温度范围的应用，图5-3显示了如何使用串联NTC热敏电阻来限制浪涌电流。

图5-3：使用串位NTC电阻限制浪涌电流

3. 转换速率控制

控制开关接通的速率可以直接控制输出电压上升的速率，浪涌电流计算式为：

则对于给定的固定Cload，降低开关速度（dVout/dt）会降低Iinrush。

4. RC时间常数

对于分立电源开关，应对浪涌电流的一种常见方法是插入一个RC网络，以降低MOSFET的开关速度，如图5-4所示：

图5-4：具有RC上升时间以限制涌入电流的分立MOSFET

这是一种通过RC时间常数控制开关速度的简单方法，虽然速度可以降低，总开启时间可以增加，但注意dv/dt速度是非线性的，因此浪涌电流也是非线性的。开始开关将缓慢接通，并随着开关完全接通而呈指数级增加，基于RC的浪涌电流见图5-5。

图5-5：基于RC的浪涌电流。

5. 线性软启动或dV/dt

许多集成电源开关具有线性控制输出电压上升时间的功能，这些开关具有固定或可调节的上升时间。在所有情况下，线性地控制输出电压上升时间意味着控制恒定的dVout/dt速率，在这种情况下，如果Cload是常数，dVout/dt是常数，那么Iinrush也将是常数，如图5-6所示：

图5-6：测量负载开关的线性dv/dt，以限制浪涌电流

与RC时间常数方法相比，线性软启动有几个优点，包括可以精确计算浪涌电流。在某些情况下，可能同时有最大浪涌电流限制和最大开启时间要求，在这些情况下，如果RC时间常数需要很长时间才能接通，或者浪涌电流太高，那么线性控制方案可以满足这两个要求。如果不能满足下述等式，那么除了改变设计架构以消除这些限制，或者转向更小的Cload或更低的Vout之外，就没有其他解决方案：

6. 恒流/电流限制调节

与线性软启动方案类似，如果为纯电容性负载供电，控制浪涌电流的恒流方法将产生相同的结果。如果用恒定的Iinrush充电，那么对于给定的Cload，将以恒定的dv/dt充电。

不同之处在于，线性软启动是调节电压，而限流器是调节电流，一旦开始在电容之外引入负载，方法就会有所不同。如果有一个集成电路在输出电压完全开启之前激活恒流功能，那么线性软启动方法将叠加该电流，恒流方法将改变其转换速率，因为一些电流现在流向负载而不是输出电容。

在图5-7 /图5-8中，线性软启动为输出保持恒定的转换速率，而当负载在2.5V下开启时，恒定电流限制将改变其转换速率。

图5-7：线性软启动或者dv/dt

图5-8：恒流或者恒流限制调节

启动期间的恒流限制有助于在开关仍处于接通状态，并且负载可能接通的情况时，恒流限制提供保护，防止输出短路等事件发生，重要的是要理解，这是启动期间管理浪涌电流的一种形式。

7. 散热

为了尽可能快地打开开关，但保持对开关的保护，有一种使用热调节的方法，这在输出电容大或未知的情况下（例如驱动板外负载）非常有用。一旦开关结温上升到指定水平，器件就开始控制浪涌电流，以保持调节的结温，这将持续到负载电容完全充满电，或者超时，如图5-9中所示。

图5-9：使用4-VVIN，输出电容为30mF。