Technary.net

Пусковые токи в цепях постоянного тока

3 недели назад
4 мин.

0

Пусковые токи в цепях постоянного тока: ёмкостные нагрузки и источники питания

Пусковые токи при подключении ёмкостных нагрузок в цепях постоянного тока: модели, расчёт I_inrush, ограничения источников питания и методы ограничения. Проверка по измерениям и диагностика.

Определение и назначение

Пусковой ток (inrush current) — переходный ток, возникающий при включении или подключении нагрузки и превышающий установившийся ток в начальный интервал времени.
Зарядный ток конденсатора (charging current of a capacitor) — ток, протекающий при зарядке конденсатора.
Назначение рассмотрения пусковых токов:
  • проверка допустимых токов для разъёмов, дорожек, проводников, предохранителей и ключевых элементов;
  • проверка устойчивости источника питания при зарядке входных/выходных ёмкостей;
  • выбор схем ограничения: предзаряд, ограничение dv/dt, ограничение тока, активные ключи.

Варианты и конструкции

Прямое подключение ёмкости к источнику
Ёмкостная нагрузка на момент включения имеет начальное напряжение U_C(0) и требует переноса заряда до напряжения шины. Ток определяется суммарным последовательным сопротивлением и индуктивностью цепи (ESR конденсатора, сопротивление проводников, контактов, ключа, внутреннее сопротивление источника). 
Практическая оценка для начального пика при U_C(0) ~= 0:
  • I_peak [A] ~= U_source [V] / R_total [ohm]
где R_total включает ESR и все последовательные сопротивления.
Ограничение: при заметной индуктивности петли ток имеет колебательный характер, и I_peak определяется также L_loop. Для оценки превышений по току требуется измерение осциллографом.

Подключение через ключ с ограничением скорости нарастания напряжения
При управляемом нарастании напряжения на нагрузке ток зарядки задаётся производной напряжения:
  • I_inrush [A] = C_load [F] * dU_load/dt [V/s] 

Механизм формирования dU_load/dt:
  • управление затвором MOSFET;
  • внутренний soft-start преобразователя;
  • eFuse/hot-swap контроллер с управлением gate slew rate.
Техническое следствие: ограничение dU/dt переводит пусковой ток в предсказуемый режим по C_load.

Предзаряд (precharge) с последовательным резистором и байпасом
Схема предзаряда реализует двухэтапное включение:
  • зарядка через резистор R_pre [ohm];
  • шунтирование R_pre ключом после достижения порога U_load. 
Оценка тока предзаряда при U_C(0) ~= 0:
  • I_pre_init [A] ~= U_source [V] / R_pre [ohm]
Порог завершения предзаряда задаётся требуемым U_load и допуском по времени включения.

Источник тока/ограничение тока (current limiting) при включении
Ограничение тока задаёт верхний предел:
  • I_inrush <= I_lim
В режиме ограничения тока напряжение на нагрузке растёт по закону:
  • dU_load/dt = I_lim / C_load
  • t_charge [s] ~= C_load [F] * DeltaU [V] / I_lim [A] 
Ограничение: если у источника питания есть таймер запуска, защита по времени или режим hiccup, то t_charge должен укладываться в допустимое окно, иначе запуск прерывается.

Ключевые параметры и ограничения

Ёмкость нагрузки C_load
C_load [F] включает:
  • входные электролитические/полимерные конденсаторы;
  • керамические конденсаторы у потребителей;
  • распределённые ёмкости кабеля и платы.
Критерий проверки: суммарная C_load по спецификациям и размещению, контроль фактической C_load LCR-измерителем при отключённой цепи (если применимо).

Начальное напряжение на ёмкости U_C(0)
U_C(0) [V] определяет величину требуемого переноса заряда:
  • DeltaU [V] = U_source [V] - U_C(0) [V]
Техническое следствие: при горячем подключении к частично заряженной шине пусковой ток определяется разностью потенциалов и R_total.
Критерий проверки: измерение U_C(0) до подключения при повторных включениях, анализ разрядных цепей.

Суммарное последовательное сопротивление R_total
R_total [ohm] включает:
  • ESR конденсатора;
  • сопротивление ключа/диода;
  • сопротивление проводников, контактов, разъёмов;
  • внутреннее сопротивление источника питания и распределительной шины.
Критерий проверки: оценка R_total по измеренному начальному пику I_peak и U_source при U_C(0) ~= 0, либо по измерению падения напряжения на известных участках при импульсе тока.

Ограничения источника питания
Типовые ограничения:
  • I_lim [A] — ограничение тока (constant current limit, foldback);
  • P_lim [W] — ограничение мощности;
  • режим hiccup — периодическое отключение при перегрузке;
  • допустимая энергия старта — ограничение по температуре ключей/трансформатора;
  • требования к минимальной нагрузке (для части топологий).
Критерий проверки: сопоставление I_inrush и t_charge с паспортными режимами запуска источника, регистрация факта перехода в ограничение тока по форме U_load(t) и I(t).

Ограничения по проводникам и коммутации
Пусковой ток задаёт кратковременную нагрузку:
  • разъёмы и контакты (электродинамическая и тепловая стойкость);
  • дорожки и шины (пиковый ток и I2t);
  • предохранители и автоматы (выдержка пускового тока без ложного отключения);
  • ключевые элементы (SOA MOSFET, импульсная мощность резистора предзаряда).
Критерий проверки: расчёт I_peak, оценка I2t по измеренной форме тока, сопоставление с паспортными данными элементов.

Монтаж и эксплуатация

Расчёт пускового тока по модели R_total
Применимость: прямое подключение, малая индуктивность петли, U_C(0) ~= 0.
Порядок:
  • определить U_source [V];
  • определить R_total [ohm] как сумму известных сопротивлений или оценить по измерению;
  • рассчитать I_peak ~= U_source / R_total;
  • проверить допустимость I_peak для контактов, ключей, источника питания и защиты.

Расчёт пускового тока по ограничению dv/dt
Применимость: управляемое нарастание напряжения на нагрузке.
Порядок:
  • определить C_load [F];
  • определить dU_load/dt [V/s] по схеме soft-start или по требованиям;
  • рассчитать I_inrush = C_load * dU_load/dt;
  • проверить t_charge = C_load * DeltaU / I_inrush (или по I_lim) на соответствие ограничениям старта источника.

Проверка по измерениям
Измеряемые величины:
  • U_source(t), U_load(t) осциллографом;
  • I(t) шунтом или токовыми клещами постоянного тока с достаточной полосой.
Критерии проверки:
  • I_peak соответствует расчётному уровню по выбранной модели;
  • U_load(t) растёт монотонно или по ожидаемому профилю soft-start;
  • отсутствие многократных попыток запуска (признак hiccup/тайм-аута);
  • отсутствие провала U_source(t) ниже допустимого уровня для других потребителей.

Неисправности и диагностика

Формат: проявление → причина → проверка → действие.
  1. Срабатывание защиты источника при включении → I_inrush превышает I_lim или время зарядки t_charge превышает допустимое окно старта → регистрация U_load(t) и I(t), определение факта ограничения тока и повторных стартов → уменьшение C_load, введение предзаряда, ограничение dU/dt, применение eFuse/hot-swap, увеличение запаса источника по I_lim и энергии старта.
  2. Провал напряжения шины при подключении ёмкостной нагрузки → недостаточная жёсткость источника, высокое R_int, общая шина без развязки, высокий I_peak → измерение U_source(t) на клеммах источника и на шине, оценка I_peak, оценка R_total → локализация точки подключения, разделение шин, введение ограничения пускового тока, увеличение ёмкости на источнике при учёте пускового режима.
  3. Повреждение разъёма/контактов при горячем подключении → высокий I_peak, дугообразование, многократные циклы подключения без разряда C_load → измерение U_C(0), измерение I(t) при подключении, осмотр контактной пары → введение предзаряда, применение разрядного резистора, изменение последовательности подключения, применение разъёма с контактами предзаряда.
  4. Перегрев резистора предзаряда → превышение импульсной энергии на R_pre, слишком короткое время байпаса, высокая частота включений → расчёт энергии E_R [J] = integral i(t)^2 * R_pre dt по измеренной форме тока или по модели RC, контроль температуры → выбор резистора с допустимой импульсной энергией, увеличение R_pre, изменение алгоритма байпаса, снижение частоты включений.