熱插拔對系統(tǒng)的影響 電壓緩啟動電路的工作原理

現(xiàn)在大多數(shù)電子系統(tǒng)都要支持熱插拔功能，所謂熱插拔，也就是在系統(tǒng)正常工作時，帶電對系統(tǒng)的某個單元進(jìn)行插拔操作，且不對系統(tǒng)產(chǎn)生任何影響。

熱插拔對系統(tǒng)的影響主要有兩方面

其一，熱插拔時，連接器的機(jī)械觸點(diǎn)在接觸瞬間會出現(xiàn)彈跳，引起電源振蕩，如下圖所示：

這個振蕩過程會引起系統(tǒng)電源跌落，引起誤碼，或系統(tǒng)重啟，也可能會引起連接器打火，引發(fā)火災(zāi)。

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(nèi)((t1至t2)不給連接器通電，等插入穩(wěn)定后(t2后)再通電，即防抖動延時。

其二，熱插拔時，由于系統(tǒng)大容量儲能電容的充電效應(yīng)，系統(tǒng)中會出現(xiàn)很大的沖擊電流，大家都知道，電容在充電時，電流呈指數(shù)趨勢下降(左下圖)，所以在剛開始充電的時候，其沖擊電流是非常大的。

此沖擊電流可能會燒毀設(shè)備電源保險管，所以在熱插拔時必須對沖擊電流進(jìn)行控制，使其按理想的趨勢變化，如右上圖所示，圖中0~t1為電源緩啟動時間。

綜上所述，緩啟動電路主要的作用是實(shí)現(xiàn)兩項(xiàng)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。

緩啟動電路有兩種類型：電壓斜率型和電流斜率型。

電壓斜率型緩啟動電路結(jié)構(gòu)簡單，但是其輸出電流的變化受負(fù)載阻抗的影響較大，而電流斜率型緩啟動電路的輸出電流變化不受負(fù)載影響，但是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

電壓型緩啟動電路

設(shè)計(jì)中通常使用MOS管來設(shè)計(jì)緩啟動電路的。MOS管有導(dǎo)通阻抗Rds低和驅(qū)動簡單的特點(diǎn)，在周圍加上少量元器件就可以構(gòu)成緩慢啟動電路。通常情況下，在正電源中用PMOS，在負(fù)電源中使用NMOS。

下圖是用NMOS搭建的一個-48V電源緩啟動電路，我們來分析下緩啟動電路的工作原理。

1)D1是嵌位二極管，防止輸入電壓過大損壞后級電路;

2)R2和C1的作用是實(shí)現(xiàn)防抖動延時功能，實(shí)際應(yīng)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的分壓值大于D3的穩(wěn)壓值，實(shí)際應(yīng)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(shí)際應(yīng)用中，R3一般選200K歐姆左右，C2取值為10 nF~100nF;

5)R4和R5的作用是防止MOS管自激振蕩，要求R4、R5lt;

6)嵌位二極管D3的作用是保護(hù)MOS管Q1的柵-源極不被高壓擊穿;D2的作用是在MOS管導(dǎo)通后對R2、C1構(gòu)成的防抖動延時電路和R3、C2構(gòu)成的上電斜率控制電路進(jìn)行隔離，防止MOS柵極充電過程受C1的影響。

電路的緩啟動原理

假設(shè)MOS管Q1的柵-源極間的寄生電容為Cgs，柵-漏極間的寄生電容為Cgd，漏-源極間的寄生電容為Cds，柵-漏極外部并聯(lián)了電容C2 (C2gt;>Cgd)，所以柵-漏極的總電容C’gd=C2+ Cgd，由于相對于C2 來說，Cgd的容值幾乎可忽略不計(jì)，所以C’gd≈C2，MOS管柵極的開啟電壓為Vth，正常工作時，MOS管柵源電壓為Vw(此電壓等于穩(wěn)壓管D3的嵌位電壓)，電容C1充電的時間常數(shù)t=(R1//R2//R3)C1，由于R3通常比R1、R2大很多，所以t≈(R1//R2)C1。

電壓緩啟動電路的工作原理

第一階段：-48V電源對C1充電，充電公式如下。

Uc=48*R1/(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(shù)t=(R1//R2)C1。所以，從上電到MOS管開啟所需要的時間為：Tth=-t*ln[1-(Uc*(R1+R2)/(48*R1))]

第二階段：MOS管開啟后，漏極電流開始增大，其變化速度跟MOS管的跨導(dǎo)和柵源電壓變化率成正比，具體關(guān)系為：dIdrain/dt = gfm *dVgs/dt，其中g(shù)fm為MOS管的跨導(dǎo)，是一個固定值，Idrain為漏極電流，Vgs為MOS管的柵源電壓，此期間體現(xiàn)為柵源電壓對漏源電流的恒定控制，MOS管被歸納為壓控型器件也是由此而來的。

第三階段：當(dāng)漏源電流Idrain達(dá)到最大負(fù)載電流時，漏源電壓也達(dá)到飽和，同時，柵源電壓進(jìn)入平臺期，設(shè)電壓幅度為Vplt。由于這段時間內(nèi)漏源電流Ids保持恒定，柵源電壓Vplt=Vth+(Ids/gfm)，同時，由于固定的柵源電壓使柵極電流全部通過反饋電容C’gd，則柵極電流為Ig=(Vw-Vplt)/(R3+R5)，由于R5相對于R3可以忽略不計(jì)，所以Ig≈(Vw-Vplt)/R3。因?yàn)闁艠O電流Ig≈Icgd，所以，Icgd=Cgd*dVgd/dt。由于柵源電壓在這段時間內(nèi)保持恒定，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R3*C2的值有關(guān)，對于負(fù)載恒定的系統(tǒng)，只要控制住R3*C2的值，就能控制住熱插拔沖擊電流的上升斜率。

緩啟動階段，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。

在0~t1階段，肖特基二極管D2尚未開啟，所以Vgs等于0，在這段時間內(nèi)，-48V電源通過R3、R5對C2充電，等C2的電壓升高到D2的開啟電壓，MOS管的柵極電壓開始升高，等柵源電壓升高到MOS管的開啟電壓Vth時，MOS管導(dǎo)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(dá)到最大，此時，漏源電壓Vds進(jìn)入飽和，開始下降，平臺電壓Vplt結(jié)束時，MOS管完全導(dǎo)通，漏源電壓降到最低，MOS管的導(dǎo)通電阻Rds最小。

編輯：黃飛

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