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电源缓启动原理
2017-4-8 9:57:13      点击:

    现在大多数电子系统都要支持热插拔功能,所谓热插拔,也就是在系统正常工作时,带电对系统的某个单元进行插拔操作,且不对系统产生任何影响。
    热插拔对系统的影响主要有两方面:
新疆喜乐彩     其一,热插拔时,连接器的机械触点在接触瞬间会出现弹跳,引起电源振荡,如下图所示:


    这个振荡过程会引起系统电源跌落,引起误码,或系统重启,也可能会引起连接器打火,引发火灾。
    解决的办法就是延迟连接器的通电时间,在连接器抖动的那十几毫秒内((t1至t2)不给连接器通电,等插入稳定后(t2后)再通电,即防抖动延时。
    其二,热插拔时,由于系统大容量储能电容的充电效应,系统中会出现很大的冲击电流,大家都知道,电容在充电时,电流呈指数趋势下降(左下图),所以在刚开始充电的时候,其冲击电流是非常大的。


    此冲击电流可能会烧毁设备电源保险管,所以在热插拔时必须对冲击电流进行控制,使其按理想的趋势变化,如右上图所示,图中0~t1为电源缓启动时间。
    综上所述,缓启动电路主要的作用是实现两项功能:
    1).防抖动延时上电;
    2).控制输入电流的上升斜率和幅值。
    缓启动电路有两种类型:电压斜率型和电流斜率型。
    电压斜率型缓启动电路结构简单,但是其输出电流的变化受负载阻抗的影响较大,而电流斜率型缓启动电路的输出电流变化不受负载影响,但是电路结构复杂。
    下面重点介绍电压型缓启动电路。
    设计中通常使用MOS管来设计缓启动电路的。MOS管有导通阻抗Rds低和驱动简单的特点,在周围加上少量元器件就可以构成缓慢启动电路。通常情况下,在正电源中用PMOS,在负电源中使用NMOS。
    下图是用NMOS搭建的一个-48V电源缓启动电路,我们来分析下缓启动电路的工作原理。


    1).D1是嵌位二极管,防止输入电压过大损坏后级电路;
    2).R2和C1的作用是实现防抖动延时功能,实际应用中R2一般选20K欧姆,C1选4.7uF左右;
    3).R1的作用是给C1提供一个快速放电通道,要求R1的分压值大于D3的稳压值,实际应用中,R1一般选10K左右;
    4).R3和C2用来控制上电电流的上升斜率,实际应用中,R3一般选200K欧姆左右,C2取值为10 nF~100nF;
    5).R4和R5的作用是防止MOS管自激振荡,要求R4、R5lt;<R3,R4取值一般为10~50欧姆之间,R5一般为2K欧姆;
    6).嵌位二极管D3的作用是保护MOS管Q1的栅-源极不被高压击穿;D2的作用是在MOS管导通后对R2、C1构成的防抖动延时电路和R3、C2构成的上电斜率控制电路进行隔离,防止MOS栅极充电过程受C1的影响。
    下面来分析下该电路的缓启动原理:
    假设MOS管Q1的栅-源极间的寄生电容为Cgs,栅-漏极间的寄生电容为Cgd,漏-源极间的寄生电容为Cds,栅-漏极外部并联了电容C2 (C2gt;>Cgd),所以栅-漏极的总电容C’gd=C2+ Cgd,由于相对于C2 来说,Cgd的容值几乎可忽略不计,所以C’gd≈C2,MOS管栅极的开启电压为Vth,正常工作时,MOS管栅源电压为Vw(此电压等于稳压管D3的嵌位电压),电容C1充电的时间常数t=(R1//R2//R3)C1,由于R3通常比R1、R2大很多,所以t≈(R1//R2)C1。
    下面分三个阶段来分析上述电压缓启动电路的工作原理:
    第一阶段:-48V电源对C1充电,充电公式如下。
    Uc=48*R1/(R1+R2)[1-exp(-T/t)],其中T是电容C1电压上升到Uc的时间,时间常数t=(R1//R2)C1。所以,从上电到MOS管开启所需要的时间为:Tth=-t*ln[1-(Uc*(R1+R2)/(48*R1))]
    第二阶段:MOS管开启后,漏极电流开始增大,其变化速度跟MOS管的跨导和栅源电压变化率成正比,具体关系为:dIdrain/dt = gfm *dVgs/dt,其中gfm为MOS管的跨导,是一个固定值,Idrain为漏极电流,Vgs为MOS管的栅源电压,此期间体现为栅源电压对漏源电流的恒定控制,MOS管被归纳为压控型器件也是由此而来的。
    第三阶段:当漏源电流Idrain达到最大负载电流时,漏源电压也达到饱和,同时,栅源电压进入平台期,设电压幅度为Vplt。由于这段时间内漏源电流Ids保持恒定,栅源电压Vplt=Vth+(Ids/gfm),同时,由于固定的栅源电压使栅极电流全部通过反馈电容C’gd,则栅极电流为Ig=(Vw-Vplt)/(R3+R5),由于R5相对于R3可以忽略不计,所以Ig≈(Vw-Vplt)/R3。因为栅极电流Ig≈Icgd,所以,Icgd=Cgd*dVgd/dt。由于栅源电压在这段时间内保持恒定,所以栅源电压和漏源电压的变化率相等。故有:dVds/dt=dVgd/dt=(Vw-Vplt)/(R3*C2)。
    由此公式可以得知,漏源电压变化斜率与R3*C2的值有关,对于负载恒定的系统,只要控制住R3*C2的值,就能控制住热插拔冲击电流的上升斜率。
    缓启动阶段,栅源电压Vgs,漏源电压Vds和漏源电流Ids的变化示意图如下所示。


    在0~t1阶段,肖特基二极管D2尚未开启,所以Vgs等于0,在这段时间内,-48V电源通过R3、R5对C2充电,等C2的电压升高到D2的开启电压,MOS管的栅极电压开始升高,等栅源电压升高到MOS管的开启电压Vth时,MOS管导通,漏源电流Ids开始增大,等MOS管的栅源电压升高到平台电压Vplt时,漏源电流Ids也达到最大,此时,漏源电压Vds进入饱和,开始下降,平台电压Vplt结束时,MOS管完全导通,漏源电压降到最低,MOS管的导通电阻Rds最小。

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