在电源设计领域，开机或上电时产生的浪涌电流一直是工程师们面临的棘手问题。过高的浪涌电流可能导致开关管损坏、保险丝熔断，还会大幅缩短输入电容的使用寿命，严重影响电源系统的稳定性和可靠性。本期电源小课堂将深入拆解浪涌电流的产生机理，并详细介绍 MOS 缓开通、负载开关软启动两种高效的抑制手段，帮助大家解决开机冲击难题。
浪涌电流产生机理分析
浪涌电流是指负载接入瞬间，流入电源设备的峰值电流。在常见的 DC/DC 电子系统中，负载与输入电源之间通常会设置开关 MOS 管与输入电容，用于控制输入电压的接入时序以及保持电压稳定。当系统开机时，需要消耗大量电流对输入电容进行充电，这就产生了浪涌电流，其幅值可达稳态工作电流的数倍。
例如，在一个 5V 输入、稳态 1A 负载的系统中，启动时可能会产生超过 16A 的浪涌电流。从仿真波形（图 1）中可以清晰地看到浪涌电流的情况。
进一步分析浪涌电流的产生过程，在 MOS 管开通时，主电路可等效为输入电压 Vin 经输入等效电阻为电容 C 充电，这里的输入等效电阻包括线路等效电阻与 MOS 管开通过程的等效电阻。通过列写回路方程可以得出，浪涌电流 Iinrush 与输入电容容值和输入电压成正比，与线路等效电阻和电容充电时间成反比。因此，从理论上来说，可以通过降低输入电容、降低输入电压、增加线路等效电阻或电容充电时间来限制浪涌电流。
然而，考虑到系统对输入电压的稳定性要求，修改输入电容容值或输入电压并不是理想的抑制浪涌电流的方法。而线路电阻主要由开关电阻、线路等效电阻与电容 ESR 三部分组成，虽然串联线路电阻或增加电容 ESR 可以减小浪涌电流的幅值，但这会降低系统效率，也不是选择。综合各方面因素，通过控制 MOS 管来控制输入电容的充电时间，从而限制浪涌电流的幅值是比较可行的方法。
MOS 缓开通抑制浪涌电流
在实际应用中，通常利用 MOS 管的特性，通过控制 MOS 驱动电压 Vgs 来控制 MOS 管的开通时间，进而限制输入电容的充电速度，达到抑制浪涌电流幅值的目的。
MOS 管的开通过程可以分为 4 个阶段：
t0 - t1 阶段：Vgs 电压小于 MOS 开启电压 Vgs (th)，MOS 管工作于截止区。
t1 - t2 阶段：Vgs 超过 Vgs (th)，MOS 管电流 Ids 开始逐渐建立。
t2 - t3 阶段：MOS 工作于米勒平台区，Vds 电压逐渐下降。
t3 - t4 阶段：MOS 完全开通。
通过分析 MOS 管开通过程中的等效电阻 RDS_eq 波形，并定义 MOS 管完全开通的时间 t1 - t3 为 ton，可以得到 MOS 管开通过程等效电阻的近似表达式。结合相关公式可知，MOS 管开通时间 ton 与电容的充电时间 tcharge 成正比，而浪涌电流的幅值与电容充电时间（即 MOS 管开通时间）成反比。因此，增加 MOS 管驱动电压 VGS 的上升时间，使 MOS 开启时间 ton 增加，进而延长输入电容充电时间，能够有效降低浪涌电流的幅值。
从仿真波形（图 2）可以看到，同样对于 5V 输入、1A 负载电流的系统，增加 MOS 驱动电压 Vgs 的上升时间后，其浪涌电流幅值由 16A 降至 1.2A，这有效地保护了系统中的其他元器件。
负载开关软启动抑制浪涌电流
在实际应用中，还可以使用 Load Switch IC 来代替分立 MOS 管控制电源的接入。Load Switch IC 能够通过控制启机时间来限制浪涌电流，从而替代分立 MOS 开关管。
MPS 的 Load Switch Family 通常可以通过 SS 引脚与 ILIM 引脚配置软启动时间以及电流限制。在电源启动时，它会在一定时间内逐渐导通，限制负载大电容电压的上升速度，进而抑制启动浪涌电流的产生。其产品性能表现如图 3 所示。
总结
当面对开机或上电时的浪涌电流问题时，可以采用软启动措施来抑制浪涌电流的产生，从而保护设备内的元器件。通过本期电源小课堂的介绍，相信工程师朋友们对开机或上电时浪涌电流的抑制方法有了更深入的了解。在实际电源设计过程中，根据具体的系统需求和电路特点，合理选择合适的抑制方法，能够有效提高电源系统的稳定性和可靠性。
