SMPS 浪涌电流计算用于断路器选型

开关电源浪涌电流计算与断路器选型指南

当开关电源（SMPS）接入电网时，由于电容充电会产生浪涌电流峰值，可达额定电流的100倍以上。即使电源留有裕量，也可能导致断路器跳闸。脉冲持续时间为50–2000微秒，在电网电压峰值（230V对应325V）时合闸会产生最大幅值。SMPS的拓扑结构决定了浪涌电流大小：经典拓扑（初级侧带电容）可达数十安培，而PSR拓扑仅为个位数安培。

主要SMPS拓扑及其浪涌特性

SMPS基于两种拓扑结构构建。

拓扑1（经典）： 在初级侧二极管桥后放置大容量电解电容（单位至数百微法）。该电容充电至电网峰值电压。浪涌电流主要来自电容充电（占比高达98%），加上EMI滤波器的小电容贡献。持续时间为数百微秒，峰值为数十安培。适用于50W以上功率，包括带功率因数校正（PFC）的SMPS。

拓扑2（PSR）： 大电容位于次级侧，初级侧为纳法级电容。浪涌电流来自电网和滤波器无功元件的振荡。峰值为个位数安培，持续时间为数十微秒。常见于60W以下的电源。

测量浪涌电流参数

浪涌电流由两个参数表征：I_max（幅值）和T_i（I_max/2电平处的持续时间）。它取决于合闸相位：在正弦波峰值时最大，在零点附近最小（差异达8–10倍）。

对于拓扑1，脉冲为RC-CR型：前沿由L_sum/R_sum定义（τ_n = L_sum / R_sum），后沿由C1 R_sum定义（τ_c = C1 R_sum）。

实际脉冲包括无功元件引起的振铃（T_ring）。持续时间T_u = T_o.i + T_ring（如果振铃能量可忽略，即I_ring < 0.1 I_max T_o.i，或T_o.i > 200微秒）。

对于拓扑2，为阻尼振荡。转换为RC-CR等效：

• 每个半周期的RMS：I_n = 0.7 * |a_n|
• I_max = 0.7 * a1
• T_i基于I_max/2 * 0.7电平的包络线

建议：对噪声信号使用示波器数字滤波器（5–20 kHz）。

并联SMPS的浪涌电流

对于N个并联SMPS，I_max_sum ≠ N * I_max（理想电网）。需考虑电网参数：Rc、Lc。标准IEC63129建议Lc = 100 µH，短路电流400–460 A（230V下Rc ≈ 0.5–0.6 Ω）。

仿真显示：

• 在实际电网中，峰值分布在各个相位，总I_max小于N倍。
• 电网电感平滑边缘，降低整体峰值。

SMPS组计算步骤：

• 测量每个SMPS的I_max、T_i。
• 估算电网的Lc、Rc（基于设计或标准）。
• 在Excel中模拟总脉冲：考虑合闸相位偏移。
• 对照断路器脱扣曲线（积分i²t）检查。

考虑浪涌电流选择断路器

断路器通过热脱扣（长期）或电磁脱扣（瞬时）跳闸。对于SMPS，电磁脱扣是关键：与i²t成正比。

• 使用特性曲线（B、C、D类）：D类适用于高浪涌（电机启动器、SMPS）。
• 裕量：断路器额定电流为总工作电流的1.5–2倍。
• 对于组：求和脉冲能量，而非峰值。

示例：10个LED灯具（SMPS拓扑2）。每个I_max=5 A，T_i=50 µs。理想值50 A，在Lc=100 µH电网中—实际峰值约20–30 A。10–16 A D类断路器不会跳闸。

关键选型因素：

• SMPS拓扑结构。
• 合闸相位。
• 电网参数（Lc、Rc）。
• 脱扣特性。
• 并联负载数量。

核心要点

• SMPS浪涌电流是电容充电+振荡，在325V合闸时峰值可达额定值的100倍。
• 拓扑1：数十安培，数百微秒；拓扑2：个位数安培，数十微秒。
• 对于并联SMPS，由于电网效应，总峰值小于N * I_max。
• 选择D类断路器，在Excel中模拟i²t。
• 使用5–20 kHz滤波器测量，T_i在I_max/2处。

— Editorial Team