电源缓启动(软起动)原理分享

谈起电源的缓启动(软起动),我们都知道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。

一、热插拔对系统的影响主要有两方面

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。

二、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;

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。

三、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。

四、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=48R1/(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=-tln[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=CgddVgd/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)/(R3C2)。

由此公式可以得知,漏源电压变化斜率与R3C2的值有关,对于负载恒定的系统,只要控制住R3C2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。

相关推荐
真实的菜几秒前
Kafka生态整合深度解析:构建现代化数据架构的核心枢纽
架构·kafka·linq
贾全2 分钟前
第十章:HIL-SERL 真实机器人训练实战
人工智能·深度学习·算法·机器学习·机器人
GIS小天17 分钟前
AI+预测3D新模型百十个定位预测+胆码预测+去和尾2025年7月4日第128弹
人工智能·算法·机器学习·彩票
guojl27 分钟前
营销客群规则引擎
架构
满分观察网友z35 分钟前
开发者的“右”眼:一个树问题如何拯救我的UI设计(199. 二叉树的右视图)
算法
Natsume171042 分钟前
嵌入式开发:GPIO、UART、SPI、I2C 驱动开发详解与实战案例
c语言·驱动开发·stm32·嵌入式硬件·mcu·架构·github
DemonAvenger1 小时前
深入理解Go的网络I/O模型:优势、实践与踩坑经验
网络协议·架构·go
森焱森2 小时前
无人机三轴稳定化控制(1)____飞机的稳定控制逻辑
c语言·单片机·算法·无人机
循环过三天2 小时前
3-1 PID算法改进(积分部分)
笔记·stm32·单片机·学习·算法·pid
闪电麦坤952 小时前
数据结构:二维数组(2D Arrays)
数据结构·算法