冷启动浪涌

电子设备在初次上电或长时间断电后重启时，常面临冷启动浪涌（Cold Start Inrush Current）问题。这种瞬间大电流可能达到稳态工作电流的数十倍，导致电源电压跌落、保险丝熔断甚至器件损坏。浪涌电流主要由电容充电、变压器磁化及半导体导通特性引发，其抑制措施是电源设计的关键环节。本文将分析浪涌的产生机制、测量方法及防护方案。

1.冷启动浪涌的产生原因

1.1电容充电电流

系统输入端的滤波电容在零初始状态下表现为短路：

• 计算公式：I = C × dV/dt，若10μF电容在1ms内充电至12V，瞬时电流达120mA。
• 叠加效应：多级LC滤波电路可能导致电流峰值叠加。

1.2磁性元件饱和

变压器或电感在冷启动时经历磁芯复位过程：

• 励磁涌流：工频变压器的浪涌可达额定电流的20倍，持续数个周期。
• DC-DC电路：电感电流爬升速率受占空比限制（di/dt = Vin/L）。

1.3半导体器件导通特性

MOSFET/IGBT的米勒效应及二极管反向恢复：

• 桥式整流电路：输入电容与二极管恢复电流共同导致尖峰。

2.浪涌电流的测量技术

2.1 电流探头法

使用罗氏线圈或霍尔效应探头捕捉瞬态波形：

• 带宽要求：需≥10MHz以捕获微秒级脉冲（如Pearson 411探头）。

2.2 分流电阻采样

小阻值精密电阻（如50mΩ）配合差分放大器：

• 布局要点：开尔文连接减少寄生电感影响。

2.3 示波器触发设置

采用单次触发模式，预触发时间设为总窗宽的20%。

3.浪涌抑制方案

3.1 负温度系数（NTC）热敏电阻

利用NTC的初始高阻特性限流：

• 缺点：连续工作时发热导致阻值下降，需配合继电器旁路。

3.2 有源限流电路

MOSFET与控制IC组成的软启动模块：

• TPS2491：支持可编程浪涌电流阈值与故障保护。

3.3 继电器时序控制

分阶段上电：

1. 预充电阶段：通过限流电阻对电容充电。

2. 稳态阶段：继电器短路电阻，路径切换时间通常为100-500ms。

4.典型应用设计

4.1 AC-DC电源前端

• NTC选型：如SCK-054（5Ω常温电阻，耐冲击电流50A）。

• 继电器时序：欧姆龙G5V-1系列触点容量需高于稳态电流。

4.2 大容量DC系统

超级电容储能装置的预充电电路：

• 分级电阻网络：多档位切换平衡充电速度与热损耗。

4.3 电机驱动电路

H桥的软启动PWM调制：

• 初始占空比限制在5%以下，逐步线性增加至目标值。