开关电源软启动电路设计

2023-06-25 理论教育版权反馈

【摘要】：开关电源如果具有软启动功能，就可以防止负载电流Io或电源输入电流IS的大电流冲击，以免损坏开关电源。开关电源在启动瞬间会产生饱和现象，这种现象在没有设计软启动的半桥式、全桥式和推挽变换式开关电源电路里最容易出现。图1-26所示的是两种光耦合软启动电路。软启动是变换电路的正常方式启动，它有助于减少元器件所受的应力。

开关电源接上电源后，驱动脉冲逐渐加宽到设计值，使输出电压V_o慢慢建立，这个过程就是软启动。开关电源如果具有软启动功能，就可以防止负载电流I_o或电源输入电流I_S的大电流冲击，以免损坏开关电源。

软启动的电路很多，多数采用RC延时电路。与软启动相反的就是硬启动。硬启动就是强制性地在开关的“关”和“开”过程中加进电压。理论分析：开关导通时，开关上的电流上升和电压下降是同时进行的；开关截止时，电压上升和电流下降也是同时进行的。这样，电流和电压的输入波形叠加便产生开关损耗，这种损耗会随着频率的提高而急速增加。与此同时，当电子开关截止关断时，电路中的电感元件还会感应出尖峰电压。这种电压也会随着开关频率的变化而急剧改变，搞不好的话，很可能使开关器件击穿。另外，电子开关高电压导通时，存储在开关器件结电容中的能量不能全部释放出去，在器件内将电能转换为热能而耗散掉，而且这种消耗也是随着频率的升高而增加。如果开关管在截止期间有导通动作，很容易产生很大的冲击电流，对器件的安全运行造成危害。这是开关电源在硬启动条件下的一些实际存在的问题。软启动技术必将在开关电源中得到广泛应用。

1.软启动电路的作用

现在很多开关电源都采用硬启动的方式，一通电开关电源就进入工作状态。这种“强制性”启动方式，不仅会对开关电源本身带来损害，还有可能在负载电流（I_o）或输入电流I_S上会产生一个大的冲击电流，负载电压V_o会超越界限，更重要的是可能产生双倍磁通。什么是双倍磁通呢？开关电源在启动瞬间会产生饱和现象，这种现象在没有设计软启动的半桥式、全桥式和推挽变换式开关电源电路里最容易出现。为了增加高频变压器的磁感应强度，取单向磁化值的两倍，就是摆幅值在峰-峰值之间取值。设计时，为了避免产生双向磁化，可减少半桥式、全桥式、推挽变换式高频变压器的一次绕组的匝数，这样的结果反过来会对开关电源的效率、开关功率管承受的应力带来不好的影响。这种方法不可采用。

电源在稳态工作时，磁心是这样工作的：磁心在关断（t_off）时间内，在变压器二次侧的续流二极管和滤波电感的作用下，输出的续流受到钳位，在每半周期开始时刻磁感应强度不是+B就是-B，这就是最大磁感应强度摆幅值，在稳态半周期内将是ΔB的2倍。这种现象还存在潜在的问题，比如说，在变换器刚加进电源V_S的瞬间，开关管开始导通，在稳态运行时，可能出现磁心中有双倍磁通的现象。因为在原始磁感应强度起始点磁偏移非常接近于零，从这个开始点开始，2倍ΔB的实变磁感应强度（即峰-峰摆幅）将导致在第一个半周内出现磁心饱和，存在烧毁元器件的可能性。在实验室里，往往在电源未通电之前，各种测试对电源不产生什么影响，认为是安全的、可靠的，可是等到一通电，开关管就烧毁了。这就是双倍磁通效应的恶果。

为了防止出现这种双倍磁通效应，第一，可减小工作磁感应强度，但这样做的结果是减小了磁心的利用率，这是不可行的。第二，可增加软启动环节，在稳态半周期内不出现磁心饱和现象。在启动时减小导通脉冲宽度，直到磁心在每个周期内开始工作时，逐渐建立在-B或者+B上而不是2ΔB上，就不会出现双倍磁通。这种软启动方法是解决双倍磁通效应最可行的方法。

2.软启动电路的设计

图1-25所示的是一种软启动性能较好的电路。

图1-25 带有运放的软启动电路

电源接通时，通过R₆、R₁、VD₁的10V电压较快地建立起来（相对V_S=300V而言）。这时，C₁的端电压为零。10V电压经R₃对C₁充电，R₃上的电压经VD₂加到运算放大器A₁的反相端。A₁的输出为负，这时不可能有脉冲输到驱动回路。当一次电压V_S加到变换电路上后，C₁充电到一定电压时，电压加到VT₁的发射极和集电极之间。由于电阻R₂的存在，VT₁导通。VT₁导通后，充电电容C₁开始放电，这一状态一直维持到没有脉冲产生。当V_S电压加到变换电路上已达到200V时，稳压管VS击穿，VT₁截止关断，C₁放电停止。在10V电压的作用下，电流流经R₃形成电压V_R3，向电容C₁充电。随着充电电流的减小，R₃上的电压V_R3逐渐降低，A₁的反向输入端电压由负值逐渐变为零。在同相端三角波的作用下，放大器A₁逐渐有调制脉冲加宽输出，这就达到了软启动的目的。

A₂为误差放大器。从输出电压V_o中引出的信号加到A₂的同相端，A₂的输出信号经R₄控制A₁的反相输入端。C₁虽经R₃充电，但VD₂反向偏置，C₁不会影响脉宽调制。当电源关断时，C₁又使VT₁导通，把C₁上的电压放完，为下一次充电做好准备。

这个电路不仅提供延迟软启动功能，而且还具有低压保护功能，调整好后可以防止启动瞬间的双倍磁通效应。

图1-26所示的是两种光耦合软启动电路。在图1-26a中，软启动电容C_S并接在精密稳压源IC₂（TL431）的阴极和阳极之间。当电路刚接上电源时，由于启动电容C_S的两端电压不能突变，V_AK=0，IC₂不工作。随着整流器输出电压逐渐升高并由光耦合器中发光二极管上的电流和R₁上的电流对C_S充电，C_S上的电压不断升高，IC₂逐渐转入正常工作状态，输出电压就在延迟时间内慢慢上升，最终达到额定的输出电压值V_o。

软启动是变换电路的正常方式启动，它有助于减少元器件所受的应力。图1-26a所示电路是一个非常重要的电路，具有实际功效，特别对输入阻抗很高的变换电路（如半桥式、全桥式、推挽式变换电路）更为有效。图1-26b所示电路在稳压管的两端并接一只4.7～22μF的电解电容C_S，它的工作原理与图1-26a所示电路相同，具有延时启动功能。延时时间的长短与开关电源输出功率的大小有关，大功率电源一般要延时30～45ms，中小功率的电源只要延时10～30ms就可以了。电源的延时时间主要决定于启动电容的容量，另外还与电源电路的输入阻抗有关。一个高输入阻抗的电源，它的启动时间就长。当然，启动时间也与电路中元器件的参数有关。对启动时间要进行调整，延时时间不能太长，否则会影响控制灵敏度。

图1-26 两种光耦合软启动电路

开关电源软启动电路设计

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