开机或上电时浪涌电流的抑制方法

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第七季

开机或上电时浪涌电流的抑制方法

上电瞬间峰值电流直冲十几安？开关管、保险丝频频损坏，输入电容寿命大幅缩水，浪涌电流一直是电源设计里绕不开的痛点。

本期拆解浪涌电流产生机理，详解MOS缓开通、负载开关软启动两种高效抑制手段，带你解决开机冲击难题。

第七季  第三话

谈及浪涌电流，相信各位攻城狮朋友们都不陌生。浪涌电流指负载接入瞬间，流入电源设备的峰值电流，如在直流母线中接入负载点电源。

在常见的DC/DC电子系统中，负载与输入电源间往往存在开关MOS管与输入电容来控制输入电压的接入时序及其稳定，而当开机时则需要消耗大量电流对输入电容进行充电，即浪涌电流是开机时对输入电容充电所带来的，其幅值可达稳态工作电流的数倍。

图1：浪涌电流产生示意图

如仿真波形所示，对于5V输入稳态1A负载的系统，启动时可产生超过16A的浪涌电流。过高的浪涌电流可能损坏开关管或熔断保险丝，甚至对负载造成永久性损坏，且频繁的冲击电流也会降低输入电容的使用寿命。

图2：浪涌电流仿真波形

进一步分析浪涌电流的产生过程。在MOS管开通的过程中，由其特性可知，可将主电路等效为Vin经输入等效电阻为电容C充电，其中输入等效电阻包括线路等效电阻与MOS管开通过程的等效电阻。

则可列写回路方程如式（2）所示，考虑负载电流ILOAD则可得式（3），进一步由电容特性可得充电回路方程如式（4）。

由式（4）可得，浪涌电流Iinrush与输入电容容值和输入电压成正比，与线路等效电阻和电容充电时间成反比，因此可通过降低输入电容，降低输入电压，增加线路等效电阻或电容充电时间来限制浪涌电流。

考虑到系统对输入电压的稳定性要求，不宜通过修改输入电容容值或输入电压抑制浪涌电流。

而由电容的充电回路可知，线路电阻主要包含三部分：开关电阻，线路等效电阻与电容ESR，抑制浪涌电流则可从增加开关等效电阻与线路等效电阻入手。

尽管串联线路电阻或增加电容ESR可减小浪涌电流的幅值，但增加线路电阻或电容ESR会降低系统效率，不是理想的浪涌电流抑制措施。

综合考虑下，针对浪涌电流，可通过控制MOS管进而控制输入电容的充电时间，限制浪涌电流的幅值。

实际应用中，通常利用MOS特性，控制MOS驱动电压Vgs进而控制MOS开通时间，限制输入电容的充电速度进而抑制浪涌电流的幅值。

可将MOS管开通过程分为4个阶段：

1. t0-t1阶段Vgs电压小于MOS开启电压Vgs(th)，MOS管工作于截止区；

2. t1-t2阶段Vgs超过Vgs(th)，MOS管电流Ids开始逐渐建立；

3. t2-t3阶段MOS工作于米勒平台区，Vds电压逐渐下降;

4. t3-t4，MOS完全开通

基于式（7）可得MOS开通过程中的等效电阻RDS_eq波形。定义MOS管完全开通的时间t1-t3为ton，可得MOS管开通过程等效电阻近似表达式如式（8）所示，结合式（6）可知，MOS管开通时间ton与电容的充电时间tcharge成正比。

由前述式（5）可知，浪涌电流的幅值与电容充电时间，即MOS管开通时间成反比。故增加MOS管驱动电压VGS的上升时间，使得MOS开启时间ton增加，进而延长输入电容充电时间，可有效降底浪涌电流的幅值。

如仿真波形所示，同样对于5V输入1A负载电流系统，增加MOS驱动电压Vgs的上升时间后，其浪涌电流幅值由16A降至1.2A，有效保护了系统中其他元器件。

图3：抑制后的浪涌电流仿真波形

在实际应用中常使用Load Switch IC来代替分立MOS管用于控制电源的接入。Load Switch IC通过控制启机时间限制浪涌电流，进而代替分立MOS开关管。

MPS的Load Switch Family通常可通过SS引脚与ILIM引脚配置软启动时间以及最大电流限制，在一定时间内逐渐导通，限制负载大电容电压的上升速度，进而抑制启动浪涌电流的产生。

图4：MPS 产品性能

综上所述，当面对开机或上电时的浪涌电流，可通过软启动措施来抑制浪涌电流的产生，保护设备内的元器件。

通过这期的电源小课堂，相信攻城狮朋友们对开机或浪涌电流的抑制方法有所了解，希望对屏幕前的你带来帮助。