如何避免電容器充電會時(shí)導(dǎo)致的涌入電流

在大多數(shù)系統(tǒng)中，為了確保電源軌電壓不會出現(xiàn)壓降，電容器遍布于整個(gè)設(shè)計(jì)中。當(dāng)電源剛剛被施加到系統(tǒng)中時(shí)，為這些電容器充電會導(dǎo)致一個(gè)涌入電流，如果不加以處理的話，這個(gè)電流會造成數(shù)個(gè)系統(tǒng)問題。

圖1顯示的是一個(gè)使用一個(gè)電源—DC/DC，低壓降 (LDO) 穩(wěn)壓器，或者外部電源—為一個(gè)下游負(fù)載供電的系統(tǒng)示例。

圖1：典型配電電路

系統(tǒng)啟動時(shí)，電源將上升到經(jīng)穩(wěn)壓電壓。隨著電壓增加，一股涌入電流進(jìn)入未被充電的電容器。當(dāng)電容負(fù)載被切換到一個(gè)電源軌，并且必須被充電至那個(gè)電壓電平時(shí)，也會產(chǎn)生涌入電流。進(jìn)入這個(gè)電容器的涌入電流的數(shù)量由電壓斜升的斜率決定，由方程式1表示：

(1)

在這里，IINRUSH 表示由電容所導(dǎo)致的涌入電流的數(shù)量，C代表總電容值，dV是斜升期間電壓的變化量，而dt是電壓斜升時(shí)的上升時(shí)間。

涌入電流帶來的問題

主要有兩個(gè)與涌入電流相關(guān)的顧慮。第一個(gè)顧慮就是電路板上的跡線和組件的絕對最大電流額定值。全部接頭和端子塊都具有特定的電流額定值，如果超過了這些額定值的話，會損壞這些部件。相似的，在進(jìn)行PCB跡線設(shè)計(jì)時(shí)，都要將特定的電流承載能力考慮在內(nèi)，而這些PCB跡線也存在被損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

不過，在針對較大涌入電流峰值進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，將會導(dǎo)致較厚的PCB跡線和更加耐用的接頭，而這會增加總體設(shè)計(jì)的尺寸和成本。隨著涌入電流的減少，你可以優(yōu)化這些跡線和接頭，以實(shí)現(xiàn)更小巧、價(jià)格更低的設(shè)計(jì)。

第二個(gè)擔(dān)心就是當(dāng)電容負(fù)載接通至已經(jīng)穩(wěn)定的電壓軌時(shí)會出現(xiàn)問題。如果這個(gè)電源不能處理為這個(gè)電容器重現(xiàn)所需要的涌入電流數(shù)量，那么這個(gè)電壓軌上的電壓將被下拉。圖2顯示了這一運(yùn)行方式。

圖2：由涌入電流所導(dǎo)致的電源暫降

該如何設(shè)計(jì)來應(yīng)對涌入電流：TPS22965應(yīng)用

你可以通過增加負(fù)載電容的電壓上升時(shí)間，并且減慢電容器的充電率來減少涌入電流。所有TI負(fù)載開關(guān)（TPS229xx產(chǎn)品）均特有一個(gè)受控輸出轉(zhuǎn)換率來減輕涌入電流。圖3顯示的是針對一個(gè)負(fù)載開關(guān)的常見應(yīng)用電路。

圖3：常見負(fù)載開關(guān)應(yīng)用電路

圖4顯示的是一個(gè)5V電源，其電壓被一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器降低至1.8V。在這個(gè)1.8V電壓軌加電時(shí)，在這個(gè)系統(tǒng)中施加了一個(gè)100μF的電容值。

圖4：沒有轉(zhuǎn)換率控制時(shí)的系統(tǒng)方框圖

在沒有受控上升時(shí)間時(shí)，這個(gè)開關(guān)不提供任何的涌入電流管理；圖5中顯示了其結(jié)果。

圖5：沒有轉(zhuǎn)換率控制時(shí)的涌入電流和壓降

圖6顯示的是同一個(gè)系統(tǒng)，不過其中的TPS22965負(fù)載開關(guān)（具有受控上升時(shí)間）控制電容負(fù)載。圖7顯示的是對應(yīng)的波形。

圖6：具有TPS22965的系統(tǒng)方框圖

圖7：在進(jìn)行轉(zhuǎn)換率控制時(shí)的涌入電流和壓降

受控上升時(shí)間防止了電源電壓的壓降，并且將涌入電流減少到可以管理的范圍內(nèi)。

較大的電容值會導(dǎo)致涌入電流，從而造成器件損壞、系統(tǒng)不穩(wěn)定或有害的運(yùn)行方式。對于涌入電流的管理來說，TI負(fù)載開關(guān)的使用是一個(gè)既小巧又省錢的解決方案。