求一种浪涌电流的抑制和DC-DC芯片的保护方案

　　1、项目背景
　　某产品的供电电源是交流24V，产品内部核心的控制电路的为低压供电，有直流5V，3.3V，3.8V等电压，需要设计一个开关电源，实现24V交流转换成直流，再通过开关电源芯片转换成5V。
　　2、开关电源的设计
　　根据以上需求，开关电源电路由整流电路，滤波电路，DC-DC电路组成。整流电路把24V交流电转换成脉冲的直流电，滤波电路把脉冲的直流电过滤过平滑的直流电，DC-DC电路把直流电变换成5V直流，供给控制电路使用。整流滤波电路选用集成式的整流桥和滤波电容组成。DC-DC电路选用TI公司的LMR14030芯片，最高输入电压40V，输出电流为3.5A，电源软启动时间为2ms。
　　根据TI的电源设计工具提供的外围电路参数，设计出如下电路图：
　　
　　这个电源电路经过测试，多次上电后出现LMR14030芯片在上电时烧坏的情况。根据情况初步分析应该是上电时的浪涌电流过大导致的芯片烧坏的情况。
　　这里插播一下，开关电源浪涌电流产生的原理。开机上电的瞬间，电容C21的电压不能突变，因此会产生一个很大的充电电流。根据一阶电路零状态响应模块所建立的一阶线性非齐次方程可以求出其电流初始值相当于把滤波电路短路而得到的电流值。这个电流就是我们常说的输入浪涌电流，它是在对滤波电容进行初始充电时产生的，其大小取决于启动上电时输入电压的幅值以及由桥式整流器和电解电容所形成的回路的总电路。
　　本电路是输入的交流24V，整个电网内阻（含整流桥和滤波电容）Rs=1欧姆，若正好在电源输入波形达到90度相位时上电开机，那么开机瞬间浪涌电流的峰值将达到I = 24*1.414 /1 = 33.9A。这个浪涌电流虽然时间很短，如果不加以抑制，会减短输入电容和整流桥的寿命。浪涌电流对电容充电完成后会产生一个浪涌尖峰电压，这个电压过高会对后级的DC-DC芯片产生损坏。交流24V电源的实际测试的峰值电压为38.4V，整流后的电压为35V，下面展示上电时实际测试到电容C21正极的浪涌尖峰电压。
　　可以看到C21的上电时最大电压达到了42V，LMR14030芯片最大输入电压为40V，证明了上电浪涌电压导致芯片损坏了。
　　3、浪涌电流的抑制和DC-DC芯片的保护方案
　　这个电路的主要问题是LMR14030芯片烧坏，烧坏的原因是上电时的过压导致了，最简单的解决办法换一个高输入的电压的芯片LMR16030，这个芯片的最高输入电压为60V。本电路计划还是采用LMR14030芯片，从抑制浪涌电流上入手处理。上面的原原理图中LMR14030具有软启动功能，软启动能抑制浪涌电压对芯片的影响，设计的软启动电容为C25 10nF，启动时间为2ms，前端滤波电容的浪涌电压持续时间有2ms，所以LMR14030的软件启动时间不合理，修改C25为22nF，软启动时间为5ms，避开了滤波电容的浪涌电压。经过多次测试LMR14030芯片并没有出现上电烧坏的情况。
　　修改LMR14030的软启动时间有保护芯片烧坏的效果，但是由前端滤波电容还是会有一定机率出现高于40V的高压，为了整个电路可靠工作，增加对上电浪涌电流的抑制，减少滤波电容的充电电流进而减少了出现的浪涌电压，可以在整流桥前端串联接入NTC电阻 NTC10D-13 解决，本电路受空间的限制采用10欧姆电阻代替NTC。下面是实际测试到滤波电容的电压（黄色曲线）和LMR14030输出的5V电压（蓝色曲线）。
　　从上面的测试可以看出，增加了NTC电阻减少了浪涌电流，延长了充电时间，上电时滤波电容的最高电压大大降低，只有32.8V，达到真正保护DC-DC芯片的目的。