浪涌电流产生原因及解决方案探析

一、Inrush Current涌浪电流产生原因

1、对Inrush Current电流的直观感受

当电灯在电路中工作时,如果突然启动马达或者变压器时,会出现电灯暗一下,此时电灯出现暗的情况就是因为马达或者变压器启动时,在电路中产生较大Inrush Current,具体分析可以参考下图:

当马达刚开始上电时,转子是静止的,处于正要启动的时刻,在这个时刻转子没有旋转,也就没有切割磁场的现象,当然也没有反向电动势,因此马达的线圈在此时所接受的电压,就会等于实际输入的电压,此时的电流会高于稳定运转时的电流,可能5倍甚至更高,一但马达开始运转,就会如前一段的说明,电流受到Back EMF阻挡便会开始下降。
通路中突然增大的电流,导致铜线上等效电阻R1上会产生一个较大压降,从而导致Lamp上电压降低,产生灯泡变暗的现象。
具体实验现象可以参考本文参考链接或者在油管搜索“实作派电子实验室”的视频。

2、电路中存在较大电容负载

当电路中有较大电容负载时,电路刚导通瞬间,会出现较大电流给电容充电,这个电流也是Inrush Current。
Inrush Current电流计算方法:
Iinrush=Cload*(dV/dt),
开关导通瞬间,如果开关闭合后输出没有缓启动,则dv/dt比较大,如果Cload数值再大些,产生的Inrush Current会更大。
图1片描述

对于如下图所示的电路连接情况,当开关闭合后,Inrush Current造成Isupply电流瞬间增大,会在导线上产生较大压降,造成Vsupply电压出现短暂降低,从图中可知Vsupply还会给DCDC模块供电,由于输入电压瞬间降低,从而会影响DCDC的输出。从上述过程描述可知Inrush Current会造成其它负载和模块出现供电异常,从而导致reset现象。


相关案例case如下:

最近有几个项目陆续发生大屏开不了机的情况。
现象描述:客户现场大屏正常点亮一段时间后,关大屏电源总闸,接着在开总闸,概率性的会有屏起不来,背光一闪下就灭了。
异常与分析:实测12V Inrush current 达36A左右,接大屏与不接大屏,Inrush大小差不多,均36A左右,Inrush
current过高,导致麦格米特MLT199TL电源保护。
解决方法:过程略,方法:去掉CA400 470uF/16V电容(电容容值越小,Inrush越小),或将CA470uF/16V电容放在MOSFET前端。按此方案Inrush
Current被控制在5~10A。

二、Inrush Current减小方法

1、串联电阻方式


串联一个功率电阻,使得Inrush Current限制在VIN/R范围,优缺点也比较明显,优点是电路简单,成本低,但只适用于小电流场景(<1A)

2、串联一个负温度系数的NTC电阻


当电路开始工作时,由于温度较低,NTC电阻阻值较大,原理和普通电阻一样,当电路工作一段时间后,温度升高,NTC电阻阻值降低。缺点就是容易受温度影响,一直处于低温时,NTC电阻一直保持很高,高温环境下,NTC电阻阻值小,起不到限制Inrush current作用。

3、采用RC电路减缓开关开启速度


通过控制开关输出波形爬升时间,降低dv/dt大小,降低Inrush Current,但由于dv/dt非线性,Inrush Current也会非线性,如下图绿色波形。

4、采用具有缓启动(Soft Start)功能的开关

为了获得线性的dV/dt,可以采用具有SS功能的开关,此类开关可以通过改变电容值,来动态调节输出波形上升时间,例如TI的TPS22975 Load Switch芯片,CT 管脚外接Cr电容,根据电容值不同输出波形上升时间不同。


由于dv/dt为常数,所以Inrush Current也为常数,如下波形所示

参考文章链接:

1、实作派电子实验室:《暗一下 的電燈 -原來是湧浪電流 Inrush Current 在作怪》
2、TI:《11 Ways to Protect Your Power Path》
3、Inrush Current Case

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