淺析開關(guān)輸入浪涌抑制及優(yōu)化設(shè)計(jì)

魏煥然 張梓威

摘? ?要：在設(shè)備開關(guān)機(jī)的過程中可能會(huì)由于負(fù)載躍遷而出現(xiàn)電壓浪涌的現(xiàn)象，針對這一問題提出了一種用于DC-DC變換器的帶過流保護(hù)功能的浪涌控制開關(guān)電路。通過研究實(shí)踐該電路在一定程度上可以抑制上電時(shí)出現(xiàn)的浪涌電壓，而且還具有對輸入過欠電壓和過流的保護(hù)作用。為了更加靈活地選擇開關(guān)，本文設(shè)計(jì)了兩種通過控制主回路的通斷實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通以及關(guān)閉電路的方案。本文先是闡述了浪涌抑制電路的原理，分析開關(guān)選擇電路設(shè)計(jì)，為相關(guān)開關(guān)輸入浪涌抑制以及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：開關(guān)輸入? 浪涌抑制? 優(yōu)化設(shè)計(jì)

隨著我國計(jì)算機(jī)技術(shù)以及通信技術(shù)的進(jìn)步，電源技術(shù)隨之而得到了普及應(yīng)用和發(fā)展。尤其是在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的形勢下，電源技術(shù)的各項(xiàng)功能和技術(shù)指標(biāo)逐漸趨近于完善，可以發(fā)揮較大的作用。但是在整機(jī)設(shè)備開關(guān)時(shí)仍然會(huì)出現(xiàn)一些問題，比如電路電壓瞬變或者開關(guān)輸入浪涌現(xiàn)象等，很容易引發(fā)整機(jī)故障。針對這一現(xiàn)象，一般會(huì)采用吸收器或者是無電源保護(hù)電路來抑制電壓浪涌?；诖吮疚慕Y(jié)合研究所實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)展開分析和研究。

1? 浪涌抑制電路的原理

1.1 常規(guī)抑制電路原理

由于在設(shè)備整機(jī)開關(guān)閉合或者導(dǎo)通的過程中，開關(guān)輸入浪涌的電壓持續(xù)時(shí)間和能量都相對比較有限，因此在抑制電路浪涌時(shí)可以通過吸收器件來實(shí)現(xiàn)，比如常規(guī)使用的吸收器件有瞬態(tài)抑制二極管、壓敏電阻或者電解電容等，這些吸收器具都具有非常顯著的浪涌抑制效果。其中瞬態(tài)抑制二極管的工作原理是利用允許的反向電流，能夠在工作狀態(tài)下吸收大電流并起到箝拉電壓的作用。然而在相關(guān)工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備整機(jī)正常的運(yùn)行狀態(tài)下，瞬態(tài)抑制二級(jí)管并不會(huì)進(jìn)行相應(yīng)工作，在設(shè)備的電路中相當(dāng)于開路。而一旦在電路中出現(xiàn)了較大的瞬間高壓脈沖，其就會(huì)將高壓脈沖擊穿電壓，在一定程度上可以起到保護(hù)后級(jí)電路的功能。直到高壓脈沖過去之后，瞬態(tài)二極管則再次恢復(fù)開路狀態(tài)，所以其只會(huì)在出現(xiàn)高壓脈沖時(shí)才會(huì)發(fā)揮保護(hù)后級(jí)電路的作用。在實(shí)際的設(shè)備運(yùn)行中并不會(huì)損耗多余的功率;另外，壓敏電阻是一種具有非線性伏安特性的敏感型元器件，即能夠在浪涌電路承受較大的過壓時(shí)，就會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的電壓箝拉工作，可以吸收電路中多余的電流，最大限度地保護(hù)后級(jí)電路。如果在電路中過壓超過了壓敏電壓的值，則可以呈現(xiàn)出高阻狀態(tài)，最終實(shí)現(xiàn)保護(hù)電路元件不受過壓損壞的目的;最后即是電容中的電解電容，一般在電源電路中會(huì)利用其充放電特性來轉(zhuǎn)換為相對比較穩(wěn)定、可靠的直流電壓。在電容量較大的作用下能夠充分地吸收電壓波動(dòng)，有利于穩(wěn)定開關(guān)輸入電壓，由此在電解電容器件在直流電路中的應(yīng)用相對比較普及，抑制效果較為顯著[1]。

上述三種常規(guī)電路抑制器件實(shí)際上都屬于無源浪涌抑制電路器件，雖然在一定程度上可以起到吸收浪涌電壓的作用，但是其吸收的能力仍不能完全地滿足浪涌控制需求，除此之外通過這三種常規(guī)抑制電路器件吸收后的電壓值帶有一定的隨機(jī)性。所以為了更準(zhǔn)確地確定電壓值，研究人員提出了另外一種開關(guān)輸入浪涌電路抑制的設(shè)計(jì)思路，即是與無源電路具有明顯區(qū)別的有源電路抑制浪涌電路設(shè)計(jì)。

1.2 有源浪涌抑制電路

在當(dāng)前對開關(guān)輸入浪涌抑制研究的過程中，出現(xiàn)有一種具有電流限制功能的高電壓浪涌抑制器，能夠有效地優(yōu)化有源浪涌抑制電路設(shè)計(jì)。以LT4363為例，其能夠?yàn)楹蠹?jí)電路系統(tǒng)良好過欠壓和過流保護(hù)提供基本保障。所以有源浪涌抑制電路的主要工作原理是通過控制MOSFET，從而實(shí)現(xiàn)有效抑制開關(guān)浪涌電壓。與此同時(shí)借助這一器件還能夠在很大程度上快速反應(yīng)設(shè)備電路中的負(fù)載端過流和線路短路故障，可以對電路中存在的電流進(jìn)行有效的限制，更加充分地保障其能夠在檢測電阻的安全值范圍之內(nèi)，減少故障發(fā)生幾率。通常情況下該器件都具有很寬的工作范圍，電壓值在4～80V之間。可以充分地在電源表現(xiàn)出現(xiàn)異常時(shí)，形成相對較好的保護(hù)。而且高電壓浪涌抑制器還能夠作為一種性能較好的熱插控制器，所以提高保護(hù)能力的方式也相對比較簡單，只需要在控制電源上，額外增加一個(gè)箝位電路，就能夠非常顯著地將保護(hù)能力提高到100V以上，而且能夠承受-60V的反向電壓[2]。

因此有源浪涌抑制電路主要依靠pin9和pin10兩個(gè)引腳，將這個(gè)兩個(gè)引腳作為有源浪涌抑制電路中，輸入芯片的過壓和欠壓比較器。此時(shí)設(shè)備所具備的電阻分壓功能可以發(fā)揮較大的作用，即是更加合理地設(shè)計(jì)出電路中的過欠壓保護(hù)點(diǎn)。而一旦出現(xiàn)了電路輸入電壓高于相關(guān)門限數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)，就會(huì)導(dǎo)致pin4腳輸入低電平的狀態(tài)。此時(shí)可以關(guān)閉MOSFET。另外一方面高電壓浪涌抑制器在整機(jī)重啟前，還可以為電路提供比較長的冷卻時(shí)間，在一定程度上可以有效的減少故障發(fā)生幾率，同時(shí)避免外部的MOSFET出現(xiàn)較大的功率耗散。Pin12腳可以作為故障輸出指示腳，主要是對由于過壓或者過流而導(dǎo)致的故障進(jìn)行提醒和預(yù)警，以便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)電路故障問題，進(jìn)而發(fā)揮保護(hù)設(shè)備的作用，最大限度避免設(shè)備過流而出現(xiàn)故障或者損壞[3]。

2? 開關(guān)選擇電路

2.1 無源開關(guān)設(shè)計(jì)

針對開關(guān)輸入浪涌問題在整機(jī)電路中對無源開關(guān)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要是將開關(guān)輸入的電路設(shè)計(jì)在主回路正極上，同時(shí)還要串入一個(gè)P溝道MOSFET，具體優(yōu)化設(shè)計(jì)方案可如圖1所示，而當(dāng)S1處的開關(guān)處于斷開的狀態(tài)時(shí)，圖中所示的R1和R2兩個(gè)器件，不能夠與地構(gòu)成一個(gè)相對完整的回路。而當(dāng)S1處位置的開關(guān)處于閉合時(shí)，電阻R1和R2就會(huì)起到一定分壓的作用，從而使P-MOSFET的導(dǎo)通條件得到充分的滿足，電壓就會(huì)從Vin傳遞到Vout，形成了有效回路，能夠?qū)﹂_關(guān)輸入浪涌問題進(jìn)行一定限制。因此無源開關(guān)設(shè)計(jì)可以避免出現(xiàn)較高過壓值，抑制開關(guān)輸入浪涌。如果此時(shí)電路中選擇的開關(guān)類型為常閉開關(guān)，則能夠保障一定的浪涌抑制效果。而如果開關(guān)選擇是常開型，則需要及時(shí)更換電路，確保無源開關(guān)的設(shè)計(jì)得到優(yōu)化。

2.2 有源開關(guān)設(shè)計(jì)

對有源開關(guān)設(shè)計(jì)主要是通過一個(gè)按鈕接口對1.5～36V的系統(tǒng)電源進(jìn)行管理，可以采用比較專業(yè)的按鈕通斷控制芯片提供與任選微處理器的簡單性連接。使在微處理器對終端請求未作出相關(guān)反應(yīng)時(shí)，可以通過持續(xù)按壓用戶設(shè)定的可調(diào)關(guān)斷定時(shí)器以提供強(qiáng)制斷電的所需時(shí)間。同時(shí)按鈕通斷控制芯片能夠提供具有正負(fù)極的性能版本，其電路原理可如圖2所示，根據(jù)實(shí)驗(yàn)證明有源電路開關(guān)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，當(dāng)電池電量較低的情況時(shí)，設(shè)備的功率就會(huì)增大，促使有源開關(guān)的電池電壓會(huì)降低到電池保護(hù)點(diǎn)之下，可能就會(huì)造成負(fù)載電池電壓升高，進(jìn)而引導(dǎo)設(shè)備故障，甚至是損壞。

3? 結(jié)語

綜上所述，隨著當(dāng)前設(shè)備類型的日益增多，電路系統(tǒng)趨向復(fù)雜，很多設(shè)備在開關(guān)機(jī)的過程中都會(huì)出現(xiàn)因?yàn)樨?fù)載突變而發(fā)生電壓浪涌。而經(jīng)過實(shí)驗(yàn)研究分析可以發(fā)現(xiàn)，在中小功率的場合中通過開關(guān)浪涌抑制電路以及優(yōu)化設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)保護(hù)電路的目的，即是控制P-MOSFET的通斷狀態(tài)實(shí)現(xiàn)主回路的開關(guān)控制，在實(shí)際的設(shè)備開關(guān)選型中具有較強(qiáng)的實(shí)用意義，而且可以更加靈活地根據(jù)設(shè)備電路情況選擇開關(guān)類型。

參考文獻(xiàn)

[1] 王少俊，李香.一種抗雷擊浪涌的智能電能表開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)[J].河南科技，2019（31）：56-58.

[2] 姜東升，邱羽玲.基于MOSFET器件的開機(jī)浪涌電流抑制電路設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)，2019，43（7）：1216-1218.

[3] 姚旭升，陳濤.開關(guān)輸入浪涌抑制及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].無線電工程，2018，48（9）：799-802.