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電源緩啟動(dòng)原理

發(fā)布時(shí)間：2021-12-13 責(zé)任編輯：lina

【導(dǎo)讀】現(xiàn)在大多數(shù)電子系統(tǒng)都要支持熱插拔功能，所謂熱插拔，也就是在系統(tǒng)正常工作時(shí)，帶電對(duì)系統(tǒng)的某個(gè)單元進(jìn)行插拔操作，且不對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生任何影響。

現(xiàn)在大多數(shù)電子系統(tǒng)都要支持熱插拔功能，所謂熱插拔，也就是在系統(tǒng)正常工作時(shí)，帶電對(duì)系統(tǒng)的某個(gè)單元進(jìn)行插拔操作，且不對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生任何影響。

熱插拔對(duì)系統(tǒng)的影響主要有兩方面：

其一，熱插拔時(shí)，連接器的機(jī)械觸點(diǎn)在接觸瞬間會(huì)出現(xiàn)彈跳，引起電源振蕩，如下圖所示：

電源緩啟動(dòng)原理

這個(gè)振蕩過(guò)程會(huì)引起系統(tǒng)電源跌落，引起誤碼，或系統(tǒng)重啟，也可能會(huì)引起連接器打火，引發(fā)火災(zāi)。

解決的辦法就是延遲連接器的通電時(shí)間，在連接器抖動(dòng)的那十幾毫秒內(nèi)((t1至t2)不給連接器通電，等插入穩(wěn)定后(t2后)再通電，即防抖動(dòng)延時(shí)。

其二，熱插拔時(shí)，由于系統(tǒng)大容量?jī)?chǔ)能電容的充電效應(yīng)，系統(tǒng)中會(huì)出現(xiàn)很大的沖擊電流，大家都知道，電容在充電時(shí)，電流呈指數(shù)趨勢(shì)下降(左下圖)，所以在剛開始充電的時(shí)候，其沖擊電流是非常大的。

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此沖擊電流可能會(huì)燒毀設(shè)備電源保險(xiǎn)管，所以在熱插拔時(shí)必須對(duì)沖擊電流進(jìn)行控制，使其按理想的趨勢(shì)變化，如右上圖所示，圖中0~t1為電源緩啟動(dòng)時(shí)間。

綜上所述，緩啟動(dòng)電路主要的作用是實(shí)現(xiàn)兩項(xiàng)功能：

1).防抖動(dòng)延時(shí)上電；

2).控制輸入電流的上升斜率和幅值。

緩啟動(dòng)電路有兩種類型：電壓斜率型和電流斜率型。

電壓斜率型緩啟動(dòng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是其輸出電流的變化受負(fù)載阻抗的影響較大，而電流斜率型緩啟動(dòng)電路的輸出電流變化不受負(fù)載影響，但是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

下面重點(diǎn)介紹電壓型緩啟動(dòng)電路。

設(shè)計(jì)中通常使用MOS管來(lái)設(shè)計(jì)緩啟動(dòng)電路的。MOS管有導(dǎo)通阻抗Rds低和驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，在周圍加上少量元器件就可以構(gòu)成緩慢啟動(dòng)電路。通常情況下，在正電源中用PMOS，在負(fù)電源中使用NMOS。

下圖是用NMOS搭建的一個(gè)-48V電源緩啟動(dòng)電路，我們來(lái)分析下緩啟動(dòng)電路的工作原理。

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1).D1是嵌位二極管，防止輸入電壓過(guò)大損壞后級(jí)電路；

2).R2和C1的作用是實(shí)現(xiàn)防抖動(dòng)延時(shí)功能，實(shí)際應(yīng)用中R2一般選20K歐姆，C1選4.7uF左右；

3).R1的作用是給C1提供一個(gè)快速放電通道，要求R1的分壓值大于D3的穩(wěn)壓值，實(shí)際應(yīng)用中，R1一般選10K左右；

4).R3和C2用來(lái)控制上電電流的上升斜率，實(shí)際應(yīng)用中，R3一般選200K歐姆左右，C2取值為10 nF~100nF；

5).R4和R5的作用是防止MOS管自激振蕩，要求R4、R5lt;<R3，R4取值一般為10～50歐姆之間，R5一般為2K歐姆；

6).嵌位二極管D3的作用是保護(hù)MOS管Q1的柵-源極不被高壓擊穿；D2的作用是在MOS管導(dǎo)通后對(duì)R2、C1構(gòu)成的防抖動(dòng)延時(shí)電路和R3、C2構(gòu)成的上電斜率控制電路進(jìn)行隔離，防止MOS柵極充電過(guò)程受C1的影響。

下面來(lái)分析下該電路的緩啟動(dòng)原理：

假設(shè)MOS管Q1的柵-源極間的寄生電容為Cgs，柵-漏極間的寄生電容為Cgd，漏-源極間的寄生電容為Cds，柵-漏極外部并聯(lián)了電容C2 (C2gt;>Cgd)，所以柵-漏極的總電容C’gd=C2+ Cgd，由于相對(duì)于C2 來(lái)說(shuō)，Cgd的容值幾乎可忽略不計(jì)，所以C’gd≈C2，MOS管柵極的開啟電壓為Vth，正常工作時(shí)，MOS管柵源電壓為Vw(此電壓等于穩(wěn)壓管D3的嵌位電壓)，電容C1充電的時(shí)間常數(shù)t=(R1//R2//R3)C1，由于R3通常比R1、R2大很多，所以t≈(R1//R2)C1。

下面分三個(gè)階段來(lái)分析上述電壓緩啟動(dòng)電路的工作原理：

第一階段：-48V電源對(duì)C1充電，充電公式如下。

Uc＝48*R1/(R1+R2)[1-exp(-T/t)]，其中T是電容C1電壓上升到Uc的時(shí)間，時(shí)間常數(shù)t＝(R1//R2)C1。所以，從上電到MOS管開啟所需要的時(shí)間為：Tth=-t*ln[1-(Uc*(R1+R2)/(48*R1))]

第二階段：MOS管開啟后，漏極電流開始增大，其變化速度跟MOS管的跨導(dǎo)和柵源電壓變化率成正比，具體關(guān)系為：dIdrain/dt = gfm *dVgs/dt，其中g(shù)fm為MOS管的跨導(dǎo)，是一個(gè)固定值，Idrain為漏極電流，Vgs為MOS管的柵源電壓，此期間體現(xiàn)為柵源電壓對(duì)漏源電流的恒定控制，MOS管被歸納為壓控型器件也是由此而來(lái)的。

第三階段：當(dāng)漏源電流Idrain達(dá)到最大負(fù)載電流時(shí)，漏源電壓也達(dá)到飽和，同時(shí)，柵源電壓進(jìn)入平臺(tái)期，設(shè)電壓幅度為Vplt。由于這段時(shí)間內(nèi)漏源電流Ids保持恒定，柵源電壓Vplt=Vth+(Ids/gfm)，同時(shí)，由于固定的柵源電壓使柵極電流全部通過(guò)反饋電容C’gd，則柵極電流為Ig=(Vw-Vplt)/(R3+R5)，由于R5相對(duì)于R3可以忽略不計(jì)，所以Ig≈(Vw-Vplt)/R3。因?yàn)闁艠O電流Ig≈Icgd，所以，Icgd=Cgd*dVgd/dt。由于柵源電壓在這段時(shí)間內(nèi)保持恒定，所以柵源電壓和漏源電壓的變化率相等。故有：dVds/dt=dVgd/dt=(Vw-Vplt)/(R3*C2)。

由此公式可以得知，漏源電壓變化斜率與R3*C2的值有關(guān)，對(duì)于負(fù)載恒定的系統(tǒng)，只要控制住R3*C2的值，就能控制住熱插拔沖擊電流的上升斜率。

緩啟動(dòng)階段，柵源電壓Vgs，漏源電壓Vds和漏源電流Ids的變化示意圖如下所示。

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在0~t1階段，肖特基二極管D2尚未開啟，所以Vgs等于0，在這段時(shí)間內(nèi)，-48V電源通過(guò)R3、R5對(duì)C2充電，等C2的電壓升高到D2的開啟電壓，MOS管的柵極電壓開始升高，等柵源電壓升高到MOS管的開啟電壓Vth時(shí)，MOS管導(dǎo)通，漏源電流Ids開始增大，等MOS管的柵源電壓升高到平臺(tái)電壓Vplt時(shí)，漏源電流Ids也達(dá)到最大，此時(shí)，漏源電壓Vds進(jìn)入飽和，開始下降，平臺(tái)電壓Vplt結(jié)束時(shí)，MOS管完全導(dǎo)通，漏源電壓降到最低，MOS管的導(dǎo)通電阻Rds最小。

電源緩啟動(dòng)原理

在電信工業(yè)和微波電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，普遍使用MOS管控制沖擊電流的方達(dá)到電流緩啟動(dòng)的目的。MOS管有導(dǎo)通阻抗Rds_on低和驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，在周圍加上少量元器件就可以構(gòu)成緩慢啟動(dòng)電路。雖然電路比較簡(jiǎn)單，但只有吃透MOS管的相關(guān)開關(guān)特性后才能對(duì)這個(gè)電路有深入的理解。

本文首先從MOSFET的開通過(guò)程進(jìn)行敘述：

盡管MOSFET在開關(guān)電源、電機(jī)控制等一些電子系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，但是許多電子工程師并沒(méi)有十分清楚的理解MOSFET開關(guān)過(guò)程，以及MOSFET在開關(guān)過(guò)程中所處的狀態(tài)一般來(lái)說(shuō)，電子工程師通常基于柵極電荷理解MOSFET的開通的過(guò)程，如圖1所示此圖在MOSFET數(shù)據(jù)表中可以查到

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圖1 AOT460柵極電荷特性

MOSFET的D和S極加電壓為VDD，當(dāng)驅(qū)動(dòng)開通脈沖加到MOSFET的G和S極時(shí)，輸入電容Ciss充電，G和S極電壓Vgs線性上升并到達(dá)門檻電壓VGS(th)，Vgs上升到VGS(th)之前漏極電流Id≈0A，沒(méi)有漏極電流流過(guò)，Vds的電壓保持VDD不變。

當(dāng)Vgs到達(dá)VGS(th)時(shí)，漏極開始流過(guò)電流Id，然后Vgs繼續(xù)上升，Id也逐漸上升，Vds仍然保持VDD當(dāng)Vgs到達(dá)米勒平臺(tái)電壓VGS(pl)時(shí)，Id也上升到負(fù)載電流最大值ID，Vds的電壓開始從VDD下降。

米勒平臺(tái)期間，Id電流維持ID，Vds電壓不斷降低。

米勒平臺(tái)結(jié)束時(shí)刻，Id電流仍然維持ID，Vds電壓降低到一個(gè)較低的值米勒平臺(tái)結(jié)束后，Id電流仍然維持ID，Vds電壓繼續(xù)降低，但此時(shí)降低的斜率很小，因此降低的幅度也很小，最后穩(wěn)定在Vds=Id×Rds(on)因此通?？梢哉J(rèn)為米勒平臺(tái)結(jié)束后MOSFET基本上已經(jīng)導(dǎo)通。

對(duì)于上述的過(guò)程，理解難點(diǎn)在于為什么在米勒平臺(tái)區(qū)，Vgs的電壓恒定？驅(qū)動(dòng)電路仍然對(duì)柵極提供驅(qū)動(dòng)電流，仍然對(duì)柵極電容充電，為什么柵極的電壓不上升？而且柵極電荷特性對(duì)于形象的理解MOSFET的開通過(guò)程并不直觀因此，下面將基于漏極導(dǎo)通特性理解MOSFET開通過(guò)程。

MOSFET的漏極導(dǎo)通特性與開關(guān)過(guò)程。

MOSFET的漏極導(dǎo)通特性如圖2所示MOSFET與三極管一樣，當(dāng)MOSFET應(yīng)用于放大電路時(shí)，通常要使用此曲線研究其放大特性只是三極管使用的基極電流、集電極電流和放大倍數(shù)，而MOSFET使用柵極電壓、漏極電流和跨導(dǎo)。

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圖2 AOT460的漏極導(dǎo)通特性

三極管有三個(gè)工作區(qū)：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)，MOSFET對(duì)應(yīng)是關(guān)斷區(qū)、恒流區(qū)和可變電阻區(qū)注意：MOSFET恒流區(qū)有時(shí)也稱飽和區(qū)或放大區(qū)當(dāng)驅(qū)動(dòng)開通脈沖加到MOSFET的G和S極時(shí)，Vgs的電壓逐漸升高時(shí)，MOSFET的開通軌跡A-B-C-D如圖3中的路線所示

電源緩啟動(dòng)原理

圖3 AOT460的開通軌跡

開通前，MOSFET起始工作點(diǎn)位于圖3的右下角A點(diǎn)，AOT460的VDD電壓為48V，Vgs的電壓逐漸升高，Id電流為0，Vgs的電壓達(dá)到VGS(th)，Id電流從0開始逐漸增大

A-B就是Vgs的電壓從VGS(th)增加到VGS(pl)的過(guò)程從A到B點(diǎn)的過(guò)程中，可以非常直觀的發(fā)現(xiàn)，此過(guò)程工作于MOSFET的恒流區(qū)，也就是Vgs電壓和Id電流自動(dòng)找平衡的過(guò)程，即Vgs電壓的變化伴隨著Id電流相應(yīng)的變化，其變化關(guān)系就是MOSFET的跨導(dǎo)：Gfs=Id/Vgs，跨導(dǎo)可以在MOSFET數(shù)據(jù)表中查到

當(dāng)Id電流達(dá)到負(fù)載的最大允許電流ID時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的柵級(jí)電壓Vgs(pl)=Id/gFS由于此時(shí)Id電流恒定，因此柵極Vgs電壓也恒定不變，見圖3中的B-C，此時(shí)MOSFET處于相對(duì)穩(wěn)定的恒流區(qū)，工作于放大器的狀態(tài)

開通前，Vgd的電壓為Vgs-Vds，為負(fù)壓，進(jìn)入米勒平臺(tái)，Vgd的負(fù)電壓絕對(duì)值不斷下降，過(guò)0后轉(zhuǎn)為正電壓驅(qū)動(dòng)電路的電流絕大部分流過(guò)CGD，以掃除米勒電容的電荷，因此柵極的電壓基本維持不變Vds電壓降低到很低的值后，米勒電容的電荷基本上被掃除，即圖3中的C點(diǎn)，于是，柵極的電壓在驅(qū)動(dòng)電流的充電下又開始升高，如圖3中的C-D，使MOSFET進(jìn)一步完全導(dǎo)通

C-D為可變電阻區(qū)，相應(yīng)的Vgs電壓對(duì)應(yīng)著一定的Vds電壓Vgs電壓達(dá)到最大值，Vds電壓達(dá)到最小值，由于Id電流為ID恒定，因此Vds的電壓即為ID和MOSFET的導(dǎo)通電阻的乘積

基于MOSFET的漏極導(dǎo)通特性曲線可以直觀的理解MOSFET開通時(shí)，跨越關(guān)斷區(qū)、恒流區(qū)和可變電阻區(qū)的過(guò)程米勒平臺(tái)即為恒流區(qū)，MOSFET工作于放大狀態(tài)，Id電流為Vgs電壓和跨導(dǎo)乘積

電路原理詳細(xì)說(shuō)明：

MOS管是電壓控制器件，其極間電容等效電路如圖4所示。

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圖4. 帶外接電容C2的N型MOS管極間電容等效電路

MOS管的極間電容柵漏電容Cgd、柵源電容Cgs、漏源電容Cds可以由以下公式確定：

電源緩啟動(dòng)原理

公式中MOS管的反饋電容Crss,輸入電容Ciss和輸出電容Coss的數(shù)值在MOS管的手冊(cè)上可以查到。

電容充放電快慢決定MOS管開通和關(guān)斷的快慢，Vgs首先給Cgs 充電，隨著Vgs的上升，使得MOS管從截止區(qū)進(jìn)入可變電阻區(qū)。進(jìn)入可變電阻區(qū)后，Ids電流增大，但是Vds電壓不變。隨著Vgs的持續(xù)增大，MOS管進(jìn)入米勒平臺(tái)區(qū)，在米勒平臺(tái)區(qū)，Vgs維持不變，電荷都給Cgd 充電，Ids不變，Vds持續(xù)降低。在米勒平臺(tái)后期，MOS管Vds非常小，MOS進(jìn)入了飽和導(dǎo)通期。為確保MOS管狀態(tài)間轉(zhuǎn)換是線性的和可預(yù)知的，外接電容C2并聯(lián)在Cgd上，如果外接電容C2比MOS管內(nèi)部柵漏電容Cgd大很多，就會(huì)減小MOS管內(nèi)部非線性柵漏電容Cgd在狀態(tài)間轉(zhuǎn)換時(shí)的作用，另外可以達(dá)到增大米勒平臺(tái)時(shí)間，減緩電壓下降的速度的目的。外接電容C2被用來(lái)作為積分器對(duì)MOS管的開關(guān)特性進(jìn)行精確控制?？刂屏寺O電壓線性度就能精確控制沖擊電流。

電路描述：

圖5所示為基于MOS管的自啟動(dòng)有源沖擊電流限制法電路。MOS管 Q1放在DC/DC電源模塊的負(fù)電壓輸入端，在上電瞬間，DC/DC電源模塊的第1腳電平和第4腳一樣，然后控制電路按一定的速率將它降到負(fù)電壓，電壓下降的速度由時(shí)間常數(shù)C2*R2決定，這個(gè)斜率決定了最大沖擊電流。

C2可以按以下公式選定：

R2由允許沖擊電流決定：

其中Vmax為最大輸入電壓，Cload為C3和DC/DC電源模塊內(nèi)部電容的總和，Iinrush為允許沖擊電流的幅度。

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圖5 有源沖擊電流限制法電路

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D1是一個(gè)穩(wěn)壓二極管，用來(lái)限制MOS管 Q1的柵源電壓。元器件R1，C1和D2用來(lái)保證MOS管Q1在剛上電時(shí)保持關(guān)斷狀態(tài)。具體情況是：

上電后，MOS管的柵極電壓要慢慢上升，當(dāng)柵源電壓Vgs高到一定程度后，二極管D2導(dǎo)通，這樣所有的電荷都給電容C1以時(shí)間常數(shù)R1×C1充電，柵源電壓Vgs以相同的速度上升，直到MOS管Q1導(dǎo)通產(chǎn)生沖擊電流。

以下是計(jì)算C1和R1的公式：

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其中Vth為MOS管Q1的最小門檻電壓，VD2為二極管D2的正向?qū)▔航?，Vplt為產(chǎn)生Iinrush沖擊電流時(shí)的柵源電壓。Vplt可以在MOS管供應(yīng)商所提供的產(chǎn)品資料里找到。

MOS管選擇

以下參數(shù)對(duì)于有源沖擊電流限制電路的MOS管選擇非常重要：

l 漏極擊穿電壓 Vds

必須選擇Vds比最大輸入電壓Vmax和最大輸入瞬態(tài)電壓還要高的MOS管，對(duì)于通訊系統(tǒng)中用的MOS管，一般選擇Vds≥100V。

l 柵源電壓Vgs

穩(wěn)壓管D1是用來(lái)保護(hù)MOS管Q1的柵極以防止其過(guò)壓擊穿，顯然MOS管Q1的柵源電壓Vgs必須高于穩(wěn)壓管D1的最大反向擊穿電壓。一般MOS管的柵源電壓Vgs為20V，推薦12V的穩(wěn)壓二極管。

l 導(dǎo)通電阻Rds_on.

MOS管必須能夠耗散導(dǎo)通電阻Rds_on所引起的熱量，熱耗計(jì)算公式為：

其中Idc為DC/DC電源的最大輸入電流，Idc由以下公式確定：

其中Pout為DC/DC電源的最大輸出功率，Vmin為最小輸入電壓，η為DC/DC電源在輸入電壓為Vmin輸出功率為Pout時(shí)的效率。η可以在DC/DC電源供應(yīng)商所提供的數(shù)據(jù)手冊(cè)里查到。MOS管的Rds_on必須很小，它所引起的壓降和輸入電壓相比才可以忽略。

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