一文讀懂電源緩啓動原理

現在大多數電子系統都要支持熱插拔功能,所謂熱插拔,也就是在系統正常工作時,帶電對系統的某個單元進行插拔操作,且不對系統產生任何影響。
熱插拔對系統的影響主要有兩方面:其一,熱插拔時,連接器的機械觸點在接觸瞬間會出現彈跳,引起電源振盪,如下圖所示:
在這裏插入圖片描述
這個振盪過程會引起系統電源跌落,引起誤碼,或系統重啓,也可能會引起連接器打火,引發火災。
解決的辦法就是延遲連接器的通電時間,在連接器抖動的那十幾毫秒內((t1至t2)不給連接器通電,等插入穩定後(t2後)再通電,即防抖動延時。

其二,熱插拔時,由於系統大容量儲能電容的充電效應,系統中會出現很大的衝擊電流,大家都知道,電容在充電時,電流呈指數趨勢下降(左下圖),所以在剛開始充電的時候,其衝擊電流是非常大的。

在這裏插入圖片描述
此衝擊電流可能會燒燬設備電源保險管,所以在熱插拔時必須對衝擊電流進行控制,使其按理想的趨勢變化,如右上圖所示,圖中0~t1爲電源緩啓動時間。

綜上所述,緩啓動電路主要的作用是實現兩項功能:
1).防抖動延時上電;
2).控制輸入電流的上升斜率和幅值。

緩啓動電路有兩種類型:電壓斜率型和電流斜率型。
電壓斜率型緩啓動電路結構簡單,但是其輸出電流的變化受負載阻抗的影響較大,而電流斜率型緩啓動電路的輸出電流變化不受負載影響,但是電路結構複雜。

下面重點介紹電壓型緩啓動電路。
設計中通常使用MOS管來設計緩啓動電路的。MOS管有導通阻抗Rds低和驅動簡單的特點,在周圍加上少量元器件就可以構成緩慢啓動電路。通常情況下,在正電源中用PMOS,在負電源中使用NMOS。
下圖是用NMOS搭建的一個-48V電源緩啓動電路,我們來分析下緩啓動電路的工作原理。

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1).D1是嵌位二極管,防止輸入電壓過大損壞後級電路;
2).R2和C1的作用是實現防抖動延時功能,實際應用中R2一般選20K歐姆,C1選4.7uF左右;
3).R1的作用是給C1提供一個快速放電通道,要求R1的分壓值大於D3的穩壓值,實際應用中,R1一般選10K左右;
4).R3和C2用來控制上電電流的上升斜率,實際應用中,R3一般選200K歐姆左右,C2取值爲10 nF~100nF;
5).R4和R5的作用是防止MOS管自激振盪,要求R4、R5lt;<R3,R4取值一般爲10~50歐姆之間,R5一般爲2K歐姆;
6).嵌位二極管D3的作用是保護MOS管Q1的柵-源極不被高壓擊穿;D2的作用是在MOS管導通後對R2、C1構成的防抖動延時電路和R3、C2構成的上電斜率控制電路進行隔離,防止MOS柵極充電過程受C1的影響。

下面來分析下該電路的緩啓動原理:
假設MOS管Q1的柵-源極間的寄生電容爲Cgs,柵-漏極間的寄生電容爲Cgd,漏-源極間的寄生電容爲Cds,柵-漏極外部並聯了電容C2 (C2gt;>Cgd),所以柵-漏極的總電容C’gd=C2+ Cgd,由於相對於C2 來說,Cgd的容值幾乎可忽略不計,所以C’gd≈C2,MOS管柵極的開啓電壓爲Vth,正常工作時,MOS管柵源電壓爲Vw(此電壓等於穩壓管D3的嵌位電壓),電容C1充電的時間常數t=(R1//R2//R3)C1,由於R3通常比R1、R2大很多,所以t≈(R1//R2)C1。

下面分三個階段來分析上述電壓緩啓動電路的工作原理:

第一階段:-48V電源對C1充電,充電公式如下。
Uc=48R1/(R1+R2)[1-exp(-T/t)],其中T是電容C1電壓上升到Uc的時間,時間常數t=(R1//R2)C1。所以,從上電到MOS管開啓所需要的時間爲:Tth=-tln[1-(Uc*(R1+R2)/(48R1))]
第二階段:MOS管開啓後,漏極電流開始增大,其變化速度跟MOS管的跨導和柵源電壓變化率成正比,具體關係爲:dIdrain/dt = gfm dVgs/dt,其中gfm爲MOS管的跨導,是一個固定值,Idrain爲漏極電流,Vgs爲MOS管的柵源電壓,此期間體現爲柵源電壓對漏源電流的恆定控制,MOS管被歸納爲壓控型器件也是由此而來的。
第三階段:當漏源電流Idrain達到最大負載電流時,漏源電壓也達到飽和,同時,柵源電壓進入平臺期,設電壓幅度爲Vplt。由於這段時間內漏源電流Ids保持恆定,柵源電壓Vplt=Vth+(Ids/gfm),同時,由於固定的柵源電壓使柵極電流全部通過反饋電容C’gd,則柵極電流爲Ig=(Vw-Vplt)/(R3+R5),由於R5相對於R3可以忽略不計,所以Ig≈(Vw-Vplt)/R3。因爲柵極電流Ig≈Icgd,所以,Icgd=Cgd
dVgd/dt。由於柵源電壓在這段時間內保持恆定,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R3C2的值有關,對於負載恆定的系統,只要控制住R3C2的值,就能控制住熱插拔衝擊電流的上升斜率。
緩啓動階段,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尚未開啓,所以Vgs等於0,在這段時間內,-48V電源通過R3、R5對C2充電,等C2的電壓升高到D2的開啓電壓,MOS管的柵極電壓開始升高,等柵源電壓升高到MOS管的開啓電壓Vth時,MOS管導通,漏源電流Ids開始增大,等MOS管的柵源電壓升高到平臺電壓Vplt時,漏源電流Ids也達到最大,此時,漏源電壓Vds進入飽和,開始下降,平臺電壓Vplt結束時,MOS管完全導通,漏源電壓降到最低,MOS管的導通電阻Rds最小。

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