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1、-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，
2、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 0t1 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
3、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
4、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 nF100nF;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 1050 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
5、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 Cgd=C2+Cgd，由于相对于 C2来说,Cgd 的容值几乎可忽略不计，所以 CgdC2,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。Uc48*R1/(R1+R2)1exp(
6、-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*ln1(Uc*(R1+R2）/（48R1)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
7、，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 Cgd，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IgIcgd，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
8、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 0t1 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。