冷啟動浪涌

電子設備在初次上電或長時間斷電后重啟時，常面臨冷啟動浪涌（Cold Start Inrush Current）問題。這種瞬間大電流可能達到穩(wěn)態(tài)工作電流的數(shù)十倍，導致電源電壓跌落、保險絲熔斷甚至器件損壞。浪涌電流主要由電容充電、變壓器磁化及半導體導通特性引發(fā)，其抑制措施是電源設計的關鍵環(huán)節(jié)。本文將分析浪涌的產(chǎn)生機制、測量方法及防護方案。

1.冷啟動浪涌的產(chǎn)生原因

1.1電容充電電流

系統(tǒng)輸入端的濾波電容在零初始狀態(tài)下表現(xiàn)為短路：

• 計算公式：I = C × dV/dt，若10μF電容在1ms內(nèi)充電至12V，瞬時電流達120mA。
• 疊加效應：多級LC濾波電路可能導致電流峰值疊加。

1.2磁性元件飽和

變壓器或電感在冷啟動時經(jīng)歷磁芯復位過程：

• 勵磁涌流：工頻變壓器的浪涌可達額定電流的20倍，持續(xù)數(shù)個周期。
• DC-DC電路：電感電流爬升速率受占空比限制（di/dt = Vin/L）。

1.3半導體器件導通特性

MOSFET/IGBT的米勒效應及二極管反向恢復：

• 橋式整流電路：輸入電容與二極管恢復電流共同導致尖峰。

2.浪涌電流的測量技術

2.1 電流探頭法

使用羅氏線圈或霍爾效應探頭捕捉瞬態(tài)波形：

• 帶寬要求：需≥10MHz以捕獲微秒級脈沖（如Pearson 411探頭）。

2.2 分流電阻采樣

小阻值精密電阻（如50mΩ）配合差分放大器：

• 布局要點：開爾文連接減少寄生電感影響。

2.3 示波器觸發(fā)設置

采用單次觸發(fā)模式，預觸發(fā)時間設為總窗寬的20%。

3.浪涌抑制方案

3.1 負溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻

利用NTC的初始高阻特性限流：

• 缺點：連續(xù)工作時發(fā)熱導致阻值下降，需配合繼電器旁路。

3.2 有源限流電路

MOSFET與控制IC組成的軟啟動模塊：

• TPS2491：支持可編程浪涌電流閾值與故障保護。

3.3 繼電器時序控制

分階段上電：

1. 預充電階段：通過限流電阻對電容充電。

2. 穩(wěn)態(tài)階段：繼電器短路電阻，路徑切換時間通常為100-500ms。

4.典型應用設計

4.1 AC-DC電源前端

• NTC選型：如SCK-054（5Ω常溫電阻，耐沖擊電流50A）。

• 繼電器時序：歐姆龍G5V-1系列觸點容量需高于穩(wěn)態(tài)電流。

4.2 大容量DC系統(tǒng)

超級電容儲能裝置的預充電電路：

• 分級電阻網(wǎng)絡：多檔位切換平衡充電速度與熱損耗。

4.3 電機驅(qū)動電路

H橋的軟啟動PWM調(diào)制：

• 初始占空比限制在5%以下，逐步線性增加至目標值。