防开机浪涌电路毕业设计.doc

1、目 录摘 要.11、绪论. .22、防开机浪涌电路设计的简述. 22.1 浪涌电流的涵义.22.2 开机浪涌电路存在问题.32.3 浪涌电流影响.32.4 常用防浪涌电流电路.42.4.1 串联电阻法.42.4.2 采用SCRR电路.43、新型浪涌电流限制器. .53.1 限制器的概述.53.2 限制浪涌电流的传统方法及其存在的问题.53.2.1 传统方法.53.2.2 存在问题.63.3 KJH型浪涌电流限制器.63.3.1 工作原理.63.3.2 应用电路.83.4 特点.83.5 结语.104、新型抑制浪涌电流电路设计. 104.1 设计电路的概述.104.2 电路设计.104.3 试验

2、结果.134.4 结语.145、小结. 14参考文献.15摘 要电源的供应是所有电子和电气装置都不能回避的大问题。早年的线性稳压电源因其稳定而可靠的工作，获得了技术界广泛的应用。但是随着集成电路的出现，特别是大规模集成电路的出现，使得电子装置的测量、控制和执行部分大大地缩小了，电源部分的尺寸和重量问题就突现出来。自从开关电源问世以来，电子装置中的电源部分开始朝高效率（电源自身的损耗被大大降低了）、高功率密度和更高可靠性方向发展。但干扰问题却随之而来。在现代电子设备中有许多继电器用于电源开关。但在开关过程中常伴随着几十个毫秒的触点回跳和抖动过程，单次抖跳的时间可达几十微秒到几微秒，因此会引起被控

3、电路的多次误动作。同时存在不同程度的机械碰撞噪声，由于触点电弧火花，会引发严重的EMI和RFT，关断时的线圈反电势高达几百到几千伏，严重时会危及驱动电路，由于超过规定的尖峰电压、浪涌电流会使触点击穿、烧损或粘结，从而误导通或丧失功能。只有控制了开关电源的浪涌电流的产生，才能使开关电源在更多的场合下得到应用。关键词：浪涌电流 二次浪涌电流 浪涌电流限制器 驱动电路 设计 1、绪论电源对任何电子设备来说都是必备部件，在设备的结构上，电源也占有重要的比例。因此，电源部分的可靠性直接关系到设备的可靠性。早年，设备都采用线性稳压电源，效率低、体积大、分量重是这类电源的缺点。在这类电源中，除了对50Hz波

4、形进行整流和滤波外，调整用的晶体管工作在直流线性状态下，所以它对设备其他部分的骚扰并不严重。近年来，随着微电子技术的迅速发展，设备的小型化和数字化已成为技术发展的主流，导致人们对电源部分的小型化呼声越来越高，因此开关电源的出现和运用就成为顺理成章的事情。开关电源将市电直接整流滤波成为直流高压，然后通过晶体管逆变器转换成低电压的高频交流电压，在经过整流和滤波变成所需要的直流低电压。其间，通过对直流输出电压的测量，反过来对晶体管的开关时间进行控制，最终可保持输出电压不变。这种线路的好处是取消了笨重的工频变压器；工作在开关状态下的晶体管功耗要比线性状态低得多，所以不需要庞大的散热器；逆变器的工作频率

5、，只要用较小容量的电容器就可获得低压侧的平滑滤波效果。由此可见，开关电源的根本优点是小型化、轻量化和高效化。当今社会电子技术发生了突飞猛进的变化，许多电子产品在不断的淘汰与更新，开关电源是推动电子产品发挥其作用的主要设备，只有设计出优良的开关电源才能发挥电子产品的功能机器作用，很多系统设计人员已经意识到正确合理的设计开关电源可以省去电源设计，调试方面的麻烦，这样不仅可以提高整体系统的可靠性和设计水平，更重要的是缩短了整个产品的研发周期，进一步提高了电子技术的发展与进步，更利于大批量生产，市场前景好。但是，开关电源有它固有的问题，简单的开关电源模块一般由电源开关、保险丝、整流桥、滤波电容、印制电

6、路板等元器件组成。过大的电流容易损坏开关电源中的元器件，对电子设备的正常运行构成了潜在的威胁，只有提高开关电源的防冲击电流的性能，才能使开关电源在更多的场合下得到应用。下面将分章讨论防开关电源的浪涌电流的由来、性能和一般性改进意见。2、防开机浪涌电路设计的简述2.1 浪涌电流的涵义浪涌电流是指电网中出现的短时间像“浪”一样的高电压引起的大电流。当某些大容量的电气设备接通或短开时间，由于电网中存在电感，将在电网产生“浪涌电压”，从而引发浪涌电流。一般不管设备容量大小，都会存在浪涌电压，问题是小容量的设备产生“浪涌电压”较小，不会产生多大的危害，因此常常被人们所忽略。在AC/DC变换器启动瞬间，因

7、对滤波电容器充电会产生一个很大的浪涌电流，它比系统正常工作电流大几倍乃至几十倍。浪涌电流会严重污染供电网络，影响其它电子设备的正常运行。有时会损坏电源开关、熔断器、EMI滤波器、整流桥、滤波电容，甚至印刷电路板等元器件。有时虽然看不到显性损坏，但是隐性损坏降低了设备的可靠性，是更为糟糕的事情。为了改进开关电源的输入特性，提高其可靠性，减少对电网的污染，改善电子设备的使用环境，必须对浪涌电流加以限制。传统的限制浪涌电流的方法存在功耗大、二次浪涌、以及瞬时断电的功能不动作等问题。因此，必须对其加以限制。2.2 开机电源存在的问题 开关电源的输入电路大都采用整流加电容滤泼的形式。在输入电路合闸瞬间，

8、由于电容器上的初始电压为零，因而会形成很大的瞬时冲击电流，如图l所示。特别是大功率开关电源其输入采用较大容量的滤波电容器，其冲击电流可达100A以上，在电源接通瞬间，如此大的冲击电流幅值往往会导致输入熔断器烧断，有时甚至将合闸开关的触点烧坏，轻者也会使空气开关舍不上闸，上述原因均会造成开关电源无法正常投人。因此，几乎所有的开关电源均在其输入电路设置防止冲击电流的软起动电路，以保证开关电源正常而可靠的运行。图1合闸瞬间滤波电容电流波形2.3 浪涌电流影响浪涌电流会造成电源电压波形塌陷，使得供电质量变差，甚至会影响其他用电设备的工作以及使保护电路动作，由于浪涌电流冲击整流器的输入熔断器，使其在若干

9、次上电过程的浪涌电流冲击下而非过载熔断。为避免这类现象发生，而不得不选用更高额定电流的熔断器，但将出现过载时熔断器不能熔断，起不到保护整流器及用电电路的作用；过高的上电浪涌电流对整流器和滤波电容器造成不可恢复的损坏。因此，必须对带有电容滤波的整流器输入浪涌电流加以限制。2.4 常用防浪涌电流电路2.4.1 串连电阻法对于小功率开关电源，可以用象图5的串连电阻法。如果电阻选得大，冲击电流就小，但在电阻上的功耗就大，所以必须选择折衷的电阻值，使冲击电流和电阻上的功耗都在允许的范围之内。图5. 串连电阻法冲击电流控制电路串连在电路上的电阻必须能承受在开机时的高电压和大电流，大额定电流的电阻在这种应用

10、中比较适合，常用的为线绕电阻，但在高湿度的环境下，则不要用线绕电阻。因线绕电阻在高湿度环境下，瞬态热应力和绕线的膨胀会降低保护层的作用，会因湿气入侵而引起电阻损坏。图5所示为冲击电流限制电阻的通常位置，对于110V、220V双电压输入电路，应该在R1和R2位置放两个电阻，这样在110V输入连接线连接时和220V输入连接线断开时的冲击电流一样大。对于单输入电压电路，应该在R3位置放电阻。2.4.2 采用SCRR电路 该电路如图3所示。在电源瞬时接通时，输入电压经整流桥VD1、VD4和限流电阻R对电容器C充电。当电容器C充电到约80的额定电压时，逆变器正常工作，经主变压器辅助绕组产生晶闸管的触发信

11、号，使晶闸管导通并短路限流电阻R，开关电源处于正常运行状态。 这种限流电路存在如下问题：当电源瞬时断电后，由于电容器C上的电压不能突变，其上仍有断电前的充电电压，逆变器可能还处于工作状态，保持晶闸管继续导通，此时若马上重新接通输入电源，会同样起不到防止冲击电流的作用。 图3采用SCRR电路3、新型浪涌电流限制器3.1 限制器的概述在AC/DC变换器启动瞬间，因对滤波电容器充电会产生一个很大的浪涌电流，它比系统正常工作电流大几倍乃至几十倍。浪涌电流会严重污染供电网络，影响其它电子设备的正常运行。有时会损坏电源开关、熔断器、EMI滤波器、整流桥、滤波电容，甚至印刷电路板等元器件。有时虽然看不到显性

12、损坏，但是隐性损坏降低了设备的可靠性，这是更为糟糕的事情。为了改进开关电源的输入特性，提高其可靠性，减少对电网的污染，改善电子设备的使用环境，必须对浪涌电流加以限制。传统的限制浪涌电流的方法存在功耗大、二次浪涌、以及瞬时断电的功能不动作等问题。新型浪涌电流限制器件KJH型浪涌电流限制器从根本上解决了这些问题。3.2 限制浪涌电流的传统方法及其存在的问题3.2.1 传统方法众所周知，在AC/DC变换器上电时，只要增加滤波电容C充电回路的环路电阻就可以减小浪涌电流。传统的方法有二种：1、在回路中串联一个适当的电阻（把电阻换成负温度系数热敏电阻是一种改进），既可以把浪涌电流限制在可接受的范围内，又不

13、影响变换器的正常工作。2、在回路中串联一个电阻与一对触点相并联的组合，使在上电时触点断开，电阻串联在环路中起到限制浪涌电流的作用，待电源进入某种状态时触点接通，将电阻短路减小功耗，保证电源的正常工作。特别值得一提的是ST公司推出的STIL02器件1，它是利用负温度系数热敏电阻与半桥转换开关组合来完成限制浪涌电流的功能。3.2.2 存在问题1、二次浪涌电流 如图1所示，我们把开关电源上电时的浪涌电流称为一次浪涌电流，把触点K接通时产生的浪涌电流称为二次浪涌电流。R1100KCR2200300V 图1 限流电阻与触点并联的浪涌电流限制电路当300V直流电压加到输入端时，电容器C以时间常数=R1C充

14、电，最大的一次浪涌电流ISM=300V/100=3A，稳态时VC=200V，VR1=100V。当K接通时，R1被K短路，100伏的跃变电压直接加在电容器C的两端，就产生了二次浪涌电流。因为没有任何有效的电阻限流，二次浪涌电流会很大。为了兼顾一次浪涌电流和二次浪涌电流的均衡，一般R1的数值都不会很大。在几百瓦的电源（交流220V输入）中，R1取值为几欧十几欧，保证电源的浪涌电流在30A左右。2、重复上电和功能不动作在传统方法中，负温度系数热敏电阻的散热或并联的触点通断都需要一定的反应时间。一般情况下，当输入电源跌落与瞬时断电时，为防止浪涌电流限制器的功能不动作，须规定开关电源通断的重复时间，否则

15、，可能会因为功能不动作造成电源的损坏。3.3 KJH型浪涌电流限制器3.3.1 工作原理KJH型浪涌电流限制器的原理框图如图2所示。其工作过程和信号流向如下：当A、B端输入上电信号，检测单元立即使时序电路进入启动程序，启动驱动单元，使执行单元的电阻值由大逐渐变小，从而达到限制浪涌电流和保证电源正常工作的目的。当A、B端输入掉电信号，则检测单元使时序电路转入复位程序，复位电路工作，使驱动单元和执行单元立即复位，电阻值立即变大，等待下一次上电，重复前一次上电时经历的过程。控制单元检测时序启动复位驱动单元执行单元1234567图2 KJH型浪涌电流限制器的原理方框图其原理电路如图3所示，用一只（或一

16、组）晶体三极管（执行单元）串联在滤波电容器充电回路中，其导通状态用一个由交流输入端控制的时序电路控制，即上电的初始瞬间晶体三极管处于微导通状态，在充电回路中呈现较大电阻值，然后逐渐使晶体三极管导通以至饱和，使其在回路中呈现电阻值很小，以保证电源的性能。对作为执行单元的晶体三极管要求如下：1、能耐受浪涌电流的冲击。2、能充分吸收浪涌电流携带的能量。3、其阻值变化（导通状态）与滤波电容的充电状态相协调。4、进入稳态时其阻值应尽量小。由上可见，KJH型浪涌电流限制器实际上是一个功率型电子电位器，是一种纯电阻性器件。开关电源上电时，电子电位器呈现较大的阻值，将浪涌电流限制在一个比较理想的数值上。随着滤

17、波电容C的不断充电，电子电位器的阻值逐渐减小，稳态时其阻值达到最小值，保证了开关电源的正常工作。KJH型模块有4个引脚：2个交流输入端和“”、“”2个输出端。控制K浪涌电流限制器图3 KJH型浪涌电流限制器原理图3.3.2 应用电路KJH型浪涌电流限制器的应用电路如图4（推荐）和图5所示，没有任何外接元件，只要把模块的四个引脚按图接入电路，不用调试即可正常工作。图4电路可以单只应用也可以多只应用，在多只应用时要求滤波电容C和模块功率进行合理分配（大电容配大功率模块）。3.4 特点1、限制浪涌电流效果好，由于没有二次浪涌电流的问题，允许初始上电时浪涌电流限制器的阻值比较大，因此，浪涌电流可以限制

18、得比较小，仅比正常工作电流的峰值大12倍，甚至更小。2、不会出现功能不动作状态，浪涌电流限制器的控制端信号与输入电压同步，得电即开始工作，失电即复位。3、功耗小，浪涌电流限制器的阻值变化范围是上电时几十欧至数百欧，电源进入稳态时只有零点几欧，所以，KJH型浪涌电流限制器工作时发热很少，500瓦以下的模块不需要专门的散热器。4、允许重复上电，从电路工作原理上说输入电压的通断是不受限制的。但是，由于浪涌电流限制器在电路中承担吸收浪涌电流的所有能量，输入电压每一次接通都会储存一定的热量使模块温度升高，故允许的重复上电的次数和间隔时间是由器件的温升决定的。电源功率越大和滤波电容C值越大，允许的重复上电

19、次数越少，要求的间隔时间越长。KJH型浪涌电流限制器模块的最新产品允许不受间隔时间限制地连续重复上电35次（功率越大次数越少）会造成模块本身的损坏。这对于解决各种实用系统的开关抖动、误操作、输入电压跌落与瞬时断电是非常必要的，也是足够的了。5、使用简单不需调试，没有外接元件，接入电路即可正常工作。6、体积小、模块化、可靠性高，可适应恶劣环境工作。3.5 结语KJH型浪涌电流限制器是纯电阻性器件，不会对开关电源的其他部分产生不利影响。不需任何外接元件，按要求将模块的4个引脚接入电路，不用任何调试即可正常工作。体积小，模块化，可靠性高，能适应各种恶劣环境，特别适合要求严格的工业系统和军用系统。4、

20、新型抑制浪涌电流电路设计4.1 设计电路的概述在现代电子设备中有许多继电器用于电源开关。但在开关过程中，常伴随着几个到几十个毫秒的触点回跳和抖动过程，单次抖跳的时间可达几十微秒到几毫秒，因此会引起被控电路的多次误动作。同时存在不同程度的机械碰撞噪声，由于触点电弧火花，会引发严重的EMI和RFI，关断时的线圈反电势高达几百到几千伏，严重时会危及驱动电路，由于超过规定的尖峰电压、浪涌电流会使触点击穿、烧损或粘结，从而误导通或丧失功能。如何解决这些问题已成为现代电子设备的一个不可忽视的问题。一般在电流较大时采取如下两种方法： 1、继电器与负载之间串接热敏电阻。但正常工作时始终有一电阻存在。同时关断时

21、仍有问题。 2、在继电器与负载之间串接电阻，电阻两端并接一个继电器。但控制关系复杂，而且增加一个继电器及其控制电路。 4.2 电路设计图1为某电子设备的输入整流滤波电路。输入滤波电路工作过程：输入的三相交流电经输入滤波器滤去杂波后经整流电路、开关(继电器)加到输入滤波电容上，当开机信号加到控制电路时，开关合闸，整流电流流过滤波电路输出直流电。当开机信号消失时，开关断开，中止输出直流电。由于输入滤波电容较大，因此合闸浪涌电流较高，最大合闸电流为: IP=U/RS其中U为三相整流桥输出最大电压峰值，RS为输入滤波回路内阻，通常RS较小，因此IP很大，大的浪涌电流不仅会引起电源开关接点的熔接，也会使

22、输入保险丝熔断，在浪涌电流出现时所产生的干扰将会给其他相邻的用电设备带来妨碍，就电容器和整流器本身而言，多次、反复地经受大电流冲击，性能将会逐渐劣化，因此要限制浪涌电流。我设计了一种采用场效应管替代继电器的电路来解决浪涌电流问题。 图1 输入整流滤波电路在电路设计中，利用场效应管的开关特性，用场效应管替代继电器，提出一个解决方案，如图2所示。图2 抑制浪涌电流电路组成框图隔离耦合电路是将控制信号变为高频振荡信号利用高频变压器传递到变压器次级。功能电路包括整流滤波、保护等电路。输出电路主要由场效应管和保护电路组成。 图3是一个N沟道场效应管的漏极特性曲线，该曲线可分为可变电阻区、恒流区、夹断区三

23、部分。场效应管工作在可变电阻区时，ID随VDS的增加几乎成线性增大，而增大的比值受VGS控制，这样就可以把管子的D、S间看成一个受电压VGS控制的线性电阻。 为消除浪涌电流，应使场效应管在可变电阻区工作一段时间。由于正常开关工作时管子在可变电阻区时间极短，不能消除或减小浪涌电流。如何使场效应管在完全导通前有足够的时间工作在可变电阻区成为隔离耦合电路设计的关键。 设计了如图4的电路来消除浪涌电流，为使控制信号变为高频振荡信号，选用SG3525。图中SG3525的振荡频率由下式决定：f=1/C2(0.7R2+3R3)软启动电路的电容C3是用50mA恒流源充电的。达到50%输出占空比的时间将是： t

24、=2.5V /50mA*C3图3 N沟道场效应管的漏极特性曲线利用SG3525第10引脚关断端控制高频振荡信号的有无。当第10引脚关断端为低电平时，利用SG3525的软启动端电容C3使高频振荡信号脉冲宽度逐渐展宽，使得通过变压器耦合并经整流滤波后加在场效应管V1的GS端的电压缓慢上升，以使场效应管在可变电阻区工作一段时间。由于场效应管是电压控制型器件，消耗电流极小，高频振荡信号整流滤波后的幅值前后几乎一样，场效应管很快完全导通，浪涌电流很大，在场效应管GS两端并联电阻R5，加大SG3525输出端的负载，浪涌电流有所降低，但SG3525发热严重，此方法行不通。 由于SG3525的输出端电压可由1

25、3引脚决定，因此如果13引脚的电压由低变高，则输出端脉冲电压也会由低变高，这样整流滤波后的电压也会由低变高，场效应管在可变电阻区可工作一段时间以减小浪涌电流。为获得一个由低变高的电压，采用图4中的LM317电路，由于LM317的输出电压U=1.25V(1+R6/R7)，为得到一个缓慢上升的U，在R6两端并联电容C8，当开机信号为高电平时，R6两端电阻几乎为零，U=1.25V。当开机信号为低电平时，电容C8充电,U逐渐上升，直至充电完成，此时U=1.25V(1+R6/R7)。改变C8的大小即可改变U上升的速率，也就改变了场效应管工作在可变电阻区的时间。开机信号为高电平时，电容C8通过V2放电，U

26、下降。 在图4中场效应管V1的选择应考虑到导通时能安全承受的最大漏极电压和电流。必要时可采取过压保护、抑制尖峰的措施，为增加导通电流可以将场效应管并联工作。由于整流电路出来的电压有300伏，同时要求场效应管完全导通时导通电阻足够小，以减小管压降，降低发热，这里选用IXTM21N50，场效应管由关断到完全导通的时间主要由C8决定，由完全导通到关断的时间主要由SG3525决定。当开机信号为高电平时，SG3525输出将在200ns内关断。图4 抑制浪涌电流电路接下来的问题是如何确定C8的值，使得浪涌电流足够小同时场效应管又能安全工作。由图4的工作过程来看，可将场效应管看作时变电阻R，由于场效应管工作

27、在可变电阻区时导通电阻R1/VGS，而对某一时刻VGSU，U1/C8RC8因此浪涌电流最大值为:I1/C8改变C8的大小就可以改变浪涌电流最大值I。4.3 试验结果对电路进行仿真，得到图5电流波形，由图中可以看到当C8较大时，由于VGS上升较慢，IDS几乎看不到有上冲，电流上升平稳。为保证场效应管安全工作，必须使浪涌电流小于管子的允许值，而且为使电子设备对电源的影响足够小，同时电路及时工作，应选用合适的电容C8。我们选择C8=166uF, 可消除浪可消除浪涌电流，得到与仿真波形相似的结果。4.4 结语该电路在滤波电容400uF、输出功率2千瓦下长时间稳定可靠工作，目前已批量生产用于某型电子设备

28、中。该电路的改进型已广泛用于其它电子设备中。如果将两只场效应管反向串联替代V1，则该电路稍加改动可以用于交流电路的软启动，现已用于开关该型电子设备中的交流风机，效果很好。5、小结通过对电源模块防开机浪涌电路设计，对所学的电源知识进行全面、系统地复习，总结和完善，更好的学好和掌握电源的基本理论和基本技能。对以后电源知识的学习打下牢固的基础，锻炼了电子线路设计能力。随着经济的飞速发展，我国的城市化速度加快，家用电器的增多，对开关电源的需求也相应的增多。所以合理的设计电源模块防开机浪涌电路使整体系统的可靠性和设计水平得到了提高，更重要的是缩短了整个产品的研发周期，大大减少了生产成本，市场前景好。参

29、考 文 献1Protel99SE电路设计技术入门与应用/EDA技术丛书李东生 电子工业出版19992智能型高频开关电源系统的原理使用与维护王家庆 人民邮电出版社19983新型开关电源设计与应用何希才 北京科学出版社19884模拟电子技术胡宴如 高等教育出版社1996 5现在高频开关电源实用技术刘胜利 电子工业出版社20006开关稳压电源原理、设计与实用电路王水平、付敏江 西安电子科技大出版社19977开关电源的原理与技术张占松、蔡宣三 电子工业出版社19998开关稳压电源王水平、史俊杰、田庆安 西安电子科技大学出版社19949实用电源技术手册王鸿玉 上海科学技术出版社199810电力电工技术张友汉 高等教育出版社198611模拟电子技术基础（第二版）童诗白 高等教育出版社198818