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1、 MWR 电源的缓启动电路原理分析Version 1.0 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 10 页 - - - - - - - - - Project FTFB Section File Name 电源的缓启动电路原理分析Pages10Document Number:MWR-HW-XXXX-XX Revision: 1.0 Date : 2019-12-24 Process Owner: songchangjiangGroup: Rev. Date ECO
2、# Originated by History 1.0 2009-10-10 Song changjiang Created 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 10 页 - - - - - - - - - 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 10 页 - - - - - - - - - Page: 4 of 10在电信工业和
3、微波电路设计领域，普遍使用MOS 管控制冲击电流的方达到电流缓启动的目的。 MOS 管有导通阻抗 Rds_on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。虽然电路比较简单，但只有吃透MOS 管的相关开关特性后才能对这个电路有深入的理解。本文首先从 MOSFET 的开通过程进行叙述：尽管 MOSFET 在开关电源、电机控制等一些电子系统中得到广泛的应用，但是许多电子工程师并没有十分清楚的理解MOSFET 开关过程，以及MOSFET 在开关过程中所处的状态一般来说，电子工程师通常基于栅极电荷理解MOSFET 的开通的过程，如图1 所示此图在 MOSFET 数据表中可以查到图 1
4、 AOT460 栅极电荷特性MOSFET 的 D 和 S极加电压为VDD ，当驱动开通脉冲加到MOSFET 的 G 和 S极时，输入电容Ciss充电， G 和 S极电压 Vgs 线性上升并到达门槛电压VGS(th) ，Vgs 上升到 VGS(th) 之前漏极电流Id 0A ，没有漏极电流流过，Vds 的电压保持VDD 不变当 Vgs 到达 VGS(th) 时，漏极开始流过电流Id，然后 Vgs 继续上升， Id 也逐渐上升， Vds 仍然保持VDD当 Vgs 到达米勒平台电压VGS(pl) 时， Id 也上升到负载电流最大值ID，Vds 的电压开始从VDD 下降米勒平台期间，Id 电流维持ID
5、，Vds 电压不断降低名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 10 页 - - - - - - - - - Page: 5 of 10米勒平台结束时刻，Id 电流仍然维持ID ，Vds 电压降低到一个较低的值米勒平台结束后，Id 电流仍然维持 ID，Vds 电压继续降低，但此时降低的斜率很小，因此降低的幅度也很小，最后稳定在Vds=Id Rds(on)因此通常可以认为米勒平台结束后MOSFET 基本上已经导通对于上述的过程，理解难点在于为什么在米勒平台区，Vgs
6、的电压恒定？驱动电路仍然对栅极提供驱动电流，仍然对栅极电容充电，为什么栅极的电压不上升？而且栅极电荷特性对于形象的理解MOSFET 的开通过程并不直观因此，下面将基于漏极导通特性理解MOSFET 开通过程MOSFET 的漏极导通特性与开关过程MOSFET 的漏极导通特性如图2 所示MOSFET 与三极管一样，当MOSFET 应用于放大电路时，通常要使用此曲线研究其放大特性只是三极管使用的基极电流、集电极电流和放大倍数，而MOSFET 使用栅极电压、漏极电流和跨导图 2 AOT460 的漏极导通特性三极管有三个工作区：截止区、放大区和饱和区，MOSFET 对应是关断区、恒流区和可变电阻区注意：
7、MOSFET 恒流区有时也称饱和区或放大区当驱动开通脉冲加到MOSFET 的 G 和 S极时， Vgs 的电压逐渐升高时， MOSFET 的开通轨迹A-B-C-D 如图 3中的路线所示名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 10 页 - - - - - - - - - Page: 6 of 10图 3 AOT460 的开通轨迹开通前， MOSFET 起始工作点位于图3 的右下角A 点， AOT460 的 VDD 电压为 48V， Vgs 的电压逐渐升高， Id 电
8、流为 0，Vgs 的电压达到VGS(th) ，Id 电流从 0 开始逐渐增大A-B 就是 Vgs 的电压从 VGS(th)增加到 VGS(pl) 的过程从 A 到 B 点的过程中，可以非常直观的发现，此过程工作于MOSFET 的恒流区，也就是Vgs 电压和 Id 电流自动找平衡的过程，即Vgs 电压的变化伴随着Id 电流相应的变化，其变化关系就是MOSFET 的跨导： Gfs=Id/Vgs ，跨导可以在MOSFET 数据表中查到当 Id 电流达到负载的最大允许电流ID 时，此时对应的栅级电压Vgs(pl)=Id/gFS由于此时Id 电流恒定，因此栅极Vgs 电压也恒定不变，见图3 中的 B-C
9、 ，此时 MOSFET 处于相对稳定的恒流区，工作于放大器的状态开通前， Vgd 的电压为 Vgs-Vds ，为负压，进入米勒平台，Vgd 的负电压绝对值不断下降，过0后转为正电压驱动电路的电流绝大部分流过CGD，以扫除米勒电容的电荷，因此栅极的电压基本维持不变Vds电压降低到很低的值后，米勒电容的电荷基本上被扫除，即图3 中的 C 点，于是，栅极的电压在驱动电流的充电下又开始升高，如图3 中的 C-D，使 MOSFET 进一步完全导通C-D 为可变电阻区，相应的Vgs 电压对应着一定的Vds 电压Vgs 电压达到最大值，Vds 电压达到最小值，由于Id 电流为 ID 恒定，因此Vds 的电压
10、即为ID 和MOSFET 的导通电阻的乘积基于MOSFET的漏极导通特性曲线可以直观的理解MOSFET开通时，跨越关断区、恒流区和可变电阻区的过程米勒平台即为恒流区， MOSFET工作于放大状态， Id 电流为 Vgs 电压和跨导乘积名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 10 页 - - - - - - - - - Page: 7 of 10电路原理详细说明：MOS 管是电压控制器件，其极间电容等效电路如图4 所示。图 4. 带外接电容C2 的 N 型 MOS
11、管极间电容等效电路MOS 管的极间电容栅漏电容Cgd、栅源电容Cgs、漏源电容Cds 可以由以下公式确定：公式中 MOS 管的反馈电容Crss,输入电容Ciss 和输出电容Coss的数值在MOS 管的手册上可以查到。电容充放电快慢决定MOS 管开通和关断的快慢，Vgs 首先给 Cgs 充电，随着Vgs 的上升，使得MOS 管从截止区进入恒流区。进入恒流区后，Ids 电流增大，但是Vds 电压不变。随着Vgs 的持续增大，MOS 管进入米勒平台区，在米勒平台区，Vgs 维持不变，电荷都给Cgd 充电， Ids不变， Vds 持续降低。在米勒平台后期， MOS 管 Vds 非常小， MOS 进入了
12、饱和导通期。为确保MOS 管状态间转换是线性的和可预知的，外接电容 C2并联在 Cgd 上，如果外接电容C2 比 MOS 管内部栅漏电容Cgd 大很多，就会减小MOS 管内部非线性栅漏电容Cgd 在状态间转换时的作用，另外可以达到增大米勒平台时间，减缓电压下降的速度的目的。外接电容 C2被用来作为积分器对MOS 管的开关特性进行精确控制。控制了漏极电压线性度就能精确控制冲击电流。电路描述：图 5 所示为基于MOS 管的自启动有源冲击电流限制法电路。MOS 管 Q1 放在 DC/DC 电源模块的负电压输入端，在上电瞬间，DC/DC 电源模块的第1脚电平和第4 脚一样，然后控制电路按一定的速率将它
13、降到负名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 10 页 - - - - - - - - - Page: 8 of 10电压，电压下降的速度由时间常数C2*R2 决定，这个斜率决定了最大冲击电流。C2 可以按以下公式选定：R2 由允许冲击电流决定：其中 Vmax 为最大输入电压，Cload 为 C3 和 DC/DC 电源模块内部电容的总和，Iinrush 为允许冲击电流的幅度。图 5 有源冲击电流限制法电路D1 是一个稳压二极管，用来限制MOS 管 Q1 的栅源电压
14、。元器件R1，C1和 D2 用来保证MOS 管Q1 在刚上电时保持关断状态。具体情况是：上电后， MOS 管的栅极电压要慢慢上升，当栅源电压Vgs 高到一定程度后，二极管D2 导通，这样所有的电荷都给电容C1 以时间常数R1 C1 充电，栅源电压Vgs 以相同的速度上升，直到MOS 管 Q1 导通产生冲击电流。以下是计算C1 和 R1 的公式：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 10 页 - - - - - - - - - Page: 9 of 10其中 Vt
15、h 为 MOS 管 Q1 的最小门槛电压，VD2 为二极管D2 的正向导通压降，Vplt 为产生 Iinrush冲击电流时的栅源电压。Vplt 可以在 MOS 管供应商所提供的产品资料里找到。MOS 管选择以下参数对于有源冲击电流限制电路的MOS 管选择非常重要：l 漏极击穿电压 Vds 必须选择Vds 比最大输入电压Vmax 和最大输入瞬态电压还要高的MOS 管，对于通讯系统中用的MOS管，一般选择Vds100V。l 栅源电压 Vgs 稳压管 D1 是用来保护MOS 管 Q1 的栅极以防止其过压击穿，显然MOS 管 Q1 的栅源电压Vgs 必须高于稳压管 D1 的最大反向击穿电压。一般MOS
16、 管的栅源电压Vgs 为 20V，推荐 12V 的稳压二极管。l 导通电阻 Rds_on. MOS 管必须能够耗散导通电阻Rds_on 所引起的热量，热耗计算公式为：其中 Idc 为 DC/DC 电源的最大输入电流，Idc 由以下公式确定：其中 Pout 为 DC/DC 电源的最大输出功率，Vmin 为最小输入电压， 为 DC/DC 电源在输入电压为Vmin 输出功率为Pout 时的效率。 可以在 DC/DC 电源供应商所提供的数据手册里查到。MOS 管的 Rds_on必须很小，它所引起的压降和输入电压相比才可以忽略。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - -
17、 - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 10 页 - - - - - - - - - Page: 10 of 10图 6. 有源冲击电流限制电路在75V 输入， DC/DC 输出空载时的波形设计举例已知： Vmax=72V Iinrush=3A 选择 MOS 管 Q1为 IRF540S 选择二极管D2 为 BAS21 按公式（ 4）计算： C21700pF。 选择 C2=0.01F;按公式（ 5）计算： R2=252.5kW 。 选择 R2=240kW ，选择 R3=270WR2; 按公式（ 7）计算： C1=0.75F。 选择 C1=1 F;按公式（ 8）计算： R1=499.5W 。 选择 R1=1kW 图 6 所示为图5 电路的实测波形，其中DC/DC 电源输出为空载。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 10 页 - - - - - - - - -