剖析MOS管電源開關電路的軟啟動

在一片文章中看到作者在做一款大電壓、大電流供電的產品，測試發(fā)現啟動時的沖擊電流很大，最大達到了14.2A，見下圖示波器通道2的藍色波形：

▲ 通道4的綠色波形是采樣電阻的電壓

當時作者沒有經驗，不知道如何去解決。后來同事指點說，解決這個問題需要增加緩啟動電路，也叫軟啟動電路。同事繼續(xù)解釋道：這個電路的供電是由一個PMOS控制通斷的，軟啟動的設計是讓PMOS的導通時間變緩，電路上的做法是在PMOS的柵極和源極之間接一個合適的電容，PMOS的導通時間就會變緩了。作者聽了同學的解答之后，在PMOS的柵極和源極之間接了一個電容，發(fā)現開機沖擊電流降下來了。試了幾個不同容值的電容，對應的效果不一樣。最后作者選了一個合適的電容換上去，電池的開機沖擊電流降到了2.6A：

可惜作者在文章中沒有給出具體的原理圖。不過從作者的描述來看，差不多就是我之前寫過的《帶軟開啟功能的MOS管電源開關電路》。只是電路參數有區(qū)別，能通過的電流、能承受的耐壓等不一樣，但是軟啟動的原理是一樣的。

作為上面案例的補充，讓我們重溫一下MOS管電源開關電路軟啟動的原理。下面用來講解的電路，以5V的電壓為例，一般控制1A左右的電流的通斷，已經大批量使用：

電源開關電路，經常用在各“功能模塊”電路的電源通斷控制，是常用電路之一。本文要講解的電源開關電路，是用MOS管實現的，且?guī)к涢_啟功能，非常經典。既然帶“軟”開啟功能，不妨把這個電路理解為一個“軟”妹紙，讓咱們深入去了解她吧！

一、電路說明電源開關電路，尤其是MOS管電源開關電路，經常用在各“功能模塊”電路的電源通斷控制，如下框圖所示：

▲ 框圖中“1個MOS管符號”代表“1個完整的MOS管電源開關電路”在設計時，只要增加一個電容（C1），一個電阻（R2），就可以實現軟開啟（soft start）功能。

軟開啟，是指電源緩慢開啟，以限制電源啟動時的浪涌電流。在沒有做軟開啟時，電源電壓的上升會比較陡峭。

加入軟開啟功能后，電源開關會慢慢打開，電源電壓也就會慢慢上升，上升沿會比較平緩。

浪涌電流可能會令電源系統(tǒng)突然不堪重負而掉電，導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。嚴重的可能會損壞電路上的元器件。

電源上電過快過急，負載瞬間加電，會突然索取非常大的電流。比如在電源電壓是5V，負載是個大容量電容的時候，電源瞬間開啟令電壓瞬間上升達到5V，電容充電電流會非常大。如果同樣的時間內電源電壓只上升到2.5V，那么電流就小得多了。

下面從數學上分析一下。電量 = 電容容量 * 電容兩端的電壓，即：Q = C * U同時 電量 = 電流 * 時間，即：Q = I * t所以電流：I = （CU） / t從公式可以看出，當電容容量越大，電壓越高，時間越短，電流就會越大，從而形成浪涌電流。大電容只是形成浪涌電流的原因之一，其他負載也會引起浪涌電流。

二、原理分析1、控制電源開關的輸入信號 Control 為低電平或高阻時，三極管Q2的基極被拉低到地，為低電平，Q2不導通，進而MOS管Q1的Vgs = 0，MOS管Q1不導通，+5V_OUT 無輸出。電阻R4是為了在 Control 為高阻時，將三極管Q2的基極固定在低電平，不讓其浮空。

2、當電源 +5V_IN 剛上電時，要求控制電源開關的輸入信號 Control 為低電平或高阻，即關閉三極管Q2，從而關閉MOS管Q1。因 +5V_IN 還不穩(wěn)定，不能將電源打開向后級電路輸出。此時等效電路圖如下：

此時電源 +5V_IN 剛上電，使MOS管G極與S極等電勢，即Vgs = 0，令Q1關閉。3、電源 +5V_IN 上電完成后，MOS管G極與S極兩端均為5V，仍然Vgs = 0。4、此時將 Control 設為高電平（假設高電平為3.3V），則：

①三極管Q2的基極為0.7V，可算出基極電流Ibe為：

（3.3V - 0.7V） / 基極電阻R3 = 0.26mA②三級管Q2飽和導通，Vce ≈ 0。電容C1通過電阻R2充電，即C1與G極相連端的電壓由5V緩慢下降到0V，導致Vgs電壓逐漸增大。

③MOS管Q1的Vgs緩慢增大，令其緩慢打開直至完全打開。最終Vgs = -5V。

④利用電容C1的充電時間實現了MOS管Q1的緩慢打開（導通），實現了軟開啟的功能。

5、電源打開后，+5V_OUT 輸出為5V電壓。此時將 Control 設為低電平，三極管Q2關閉，電容C1與G極相連端通過電阻R2放電，電壓逐漸上升到5V，起到軟關閉的效果。軟關閉一般不是我們想要的，過慢地關閉電源，可能出現系統(tǒng)不穩(wěn)定等異常。過慢地開啟和關閉電源都可能導致電路系統(tǒng)異常，這個MOS管電源開關電路及其參數已經過大批量使用驗證，一般情況下可以直接照搬使用。

三、電路參數設定說明調整C1、R2的值，可以修改軟啟動的時間。值增大，則時間變長。反之亦然。如果不想使用軟開啟功能，直接不上件電容C1即可。使用原理圖中所標型號的MOS管（WPM2341A-3/TR），通過的電流最好不要超過1.75A，留至少30%的余量，并且要注意散熱。余量是否足夠，跟MOS管的溫度有關，應用時要注意做好實驗驗證。

四、最后關于電路的學習，希望大家enjoy！

編輯：jq