缓启动电路原理.pdf

48V 电源缓启动原理 2012年 02 月 17 日 星期五 15:51 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： 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。