在各种过去和现在常用的电源中,开关电源是很普及的,一般可以满足任何设计需求。这种电源很经济,但也在设计中存在一些问题。这就是很多开关电源(特别是大功率开关电源),都存在一个固有的缺点:在加电瞬间要汲取一个较大的电流,这个浪涌电流可能达到电源静态工作电流的10~100倍。

由此,至少有可能产生两个方面的问题。第一,如果直流电源不能供给足够的启动电流,开关电源可能进入一种锁定状态而无法启动;第二,这种浪涌电流可能造成输入电源电压的降低,足以引起使用同一输入的电源的其他动力设备瞬间掉电。

传统的输入浪涌电流限制方法是串联负温度系数热敏限流电阻器,然而这种简单的方法具有很多缺点:如ntc电阻器的限流效果受环境温度影响较大、限流效果在短暂的输入主电网中断(约几百毫秒数量级)的只能部分地达到、ntc电阻器的功率损耗降低了开关电源的转换效率。其实这些问题都可以通过一个“软启动电路”来解决,下面进行详细介绍。

在论述“软启动电路”之前,我们首先讨论浪涌电流是如何产生的。现代的驱动系统、逆变器和开关电源等一般通过脉冲调制技术来转换电能,其中的核心部件是直流/直流转换器。,输入电压首先经过干扰滤波,再通过桥式整流器变成直流,然后通过一个很大的电解电容器进行波形平滑,之后才能进入真正的直流/直流转换器。输入浪涌电流就是在对这个电解电容器进行初始充电时产生的,它的大小取决于起动上电时输入电压的幅值以及由桥式整流器和电解电容器所形成回路的总电阻。如果恰好在交流输入电压的峰值点起动时,就会出现峰值输入浪涌电流。

另外,变压器明纬开关电源起动时也会出现输入浪涌电流。然而,这种输入浪涌电流的出现原因有所不同。当变压器电源在正弦输入电压的过零点起动时,变压器磁芯的磁化在前几个周期中被迫进入一种不平衡状态。结果,磁芯在每个半周饱和。此时的励磁电流只能由微弱的漏电感寄生电阻来限制,导致出现很大的输入浪涌电流。变压器电源通常带有特殊的输入浪涌电流限制器来保证其在正弦输入电压的峰值起动,以防止出现很高的输入浪涌电流。而如果在开关电源中也使用这种输入浪涌电流限制器,则如前文所述,后果恰恰相反,不但起不到限流作用,反而会导致出现峰值输入浪涌电流。故我们今天只讨论开关电源浪涌电流的产生和消除,变压器电源不在论述范围。

如果采用软启动电路来消除开关电源启动时的浪涌电流,可以很好地避免上述传统浪涌电流限制方法的缺点。通过软启动来控制开关电源的启动以消除浪涌电流,包含这样两条设计原则:即在加电瞬间除去负载、同时限制有用的电流。如果不驱动负载,开关电源启动时一般电流很小。在很多情况下,启动电流实际有可能要比利用这种方法保持的稳态工作电流小。

下面采用一个从-48v+5v明纬开关电源论述软启动技术。所用的开关电源是一个含有lt1172hvct的稳压器,从负到正补偿提升式(buckboost)转换器,其实任何一个从-48v+5v的开关电源都能工作。其中,软启动电路和开关电源电路是相互独立的,电气原理如图所示。

 
   
  台湾明纬开关电源