【實用電路設計案例】緩啟動電路實例分析與應用

【摘要】

本文根據(jù)某產(chǎn)品單板電路測試過程的浪涌電流沖擊問題，詳細分析了MOS管緩啟動電路的RC參數(shù)，通過分析和實際對電路參數(shù)的更改，使電路的浪涌電流沖擊滿足板上電源要求。

一、問題的提出

某通信產(chǎn)品電路測試時發(fā)現(xiàn)浪涌電流沖擊過大，可能會損壞保險絲或MOS管等器件，而且有的即使沒有損壞也有可能會影響其使用壽命(圖1)。

圖1改前測試沖擊電流

從上圖可以看出沖擊電流很大，達23.0A，遠大于滿載工作電流(1A左右)，板上電源設計指南要求是滿載工作電流的3～5倍，所以需要整改以達到板上電源要求，電路原理圖如圖2所示。

圖2原電路原理圖

二、解決思路

將原電路原理圖(圖2)等效為圖3。

圖3原理圖等效[注1]

注1：R270等效為R1，R271等效為R2，C136等效為C1，MOS管為VT1，全部負載等效為RL，全部電容等效為CL，D1在計算中用不到。

根據(jù)MOS管開啟電壓和RDS的特性曲線(圖4)可知，控制了MOS管VGS電壓線性度就能精確控制沖擊電流。所以圖3中外接電容C1、R1和R2被用來作為積分器對MOS管的開關(guān)特性進行精確控制，達到控制上電沖擊電流的目的。

圖4本文原理圖中MOS管(Si4463DY)VGS(th)與電流ID和電阻RDS的關(guān)系

原電路就是利用這個原理進行上電控制的，但是參數(shù)設置有問題，所以才出現(xiàn)了圖1中的較大沖擊電流。現(xiàn)將簡化電路原理圖(圖3)VT1前面的上電控制電路等效為圖5進行計算。

圖5簡化VT1前面的上電控制電路

1、上電時間計算

1)時間參數(shù)τ。由于圖5(a)中MOS管內(nèi)部電容Cgs<所以vt1前面的上電控制電路可以簡化為圖5(b)所示，又電容c1充電時間參數(shù)τ=r*c1，計算電容上電時需要將電源短路，所以根據(jù)圖5(c)可知r=r1>

最后計算得出：

所以Uc的上電完成時間只與τ相關(guān)，但是上電的斜率將同時與R1/(R1+R2)和τ相關(guān)，下面用兩個實驗予以說明。

2、實驗驗證

實驗(1)：更改時間參數(shù)τ(更改C1)控制VGS開啟速度

圖6 R1=R2=10Kohm，C1=2.2uF時上電電流波形

根據(jù)計算τ=(R1//R2)*C1=11mS，從圖6可以看出上電時間變大了，為3.6mS，沖擊電源也由原來的23.0A變?yōu)楝F(xiàn)在的9.26A。說明一定程度上控制了其上電時間和沖擊電流。但是，τ變?yōu)樵瓉淼?2倍，電流沖擊時間變?yōu)樵瓉淼?5倍，沖擊電流只變?yōu)樵瓉淼?0%，不能完全夠達到精確控制的目的。實驗(2)：設置Uc電壓以達到控制上電時間的目的根據(jù)MOS管開啟電壓的特性曲線圖4，可以看出：1V～2.5V這段為MOS管開啟的過程，精確控制這段電壓的上升過程(斜率)將可以有效控制上電沖擊電流的大小。更改電阻R1=2.7K，R2=10K和C1=0.1uF不變時上電電流波形如圖7所示。

圖7 R1=2.7K，R2=10Kohm，C1=0.1uF時上電電流波形(紅色曲線為上電電流波形，黃色為Uc兩端電壓波形)

根據(jù)計算τ=(R1//R2)*C1=0.2mS，變小了，但是從圖7可以看出上電時間卻變大了，為425uS，沖擊電源也由原來的23.0A變?yōu)楝F(xiàn)在的8.35A。對比兩個實驗可以發(fā)現(xiàn)：改變R1，τ變小了，但電流上電時間卻變大了，而且電流沖擊時間在只變大1.8倍的情況下，沖擊電流的幅度卻變?yōu)樵瓉淼?6%;而改變τ(即改變C1)，在電流沖擊上升時間變?yōu)樵瓉淼?5倍時，電流幅度才變?yōu)樵瓉淼?0%，所以改變R1對MOS管VGS的精確控制效果明顯。

3、原因分析

電容歸一化上電波形如圖8所示：

圖8 歸一化電容上電波形t1τ2τ3τ5τ

Uc0.6320.8650.950.9933

從圖8可以看出：原電路中Uc兩端最終電壓在1τ(圖8中紅色曲線部分)內(nèi)將從0V上升到Uc*0.632=3.8V，而從3.8V上升到6V需要至少4τ(1τ～5τ)。而電路中MOS管開啟電壓是1V～2.5V，這段電壓在小于0.5τ時間內(nèi)就完成了，所以可以得出其上電時間(1~2.5V的時間)應小于0.5τ，即小于250uS，根據(jù)圖1可以看出，沖擊電流的時間約為240uS左右，與計算基本吻合。實驗(1)電路中Uc最終兩端電壓與原電路相同為6V，不過τ變?yōu)樵瓉淼?2倍為11mS，MOS管開啟電壓在1V～2.5V段上升時間也應該小于0.5τ，實測試為3.6mS，小于0.5τ(5.5mS)也基本與理論計算吻合實驗(2)電路中Uc最終兩端約為2.5V。開啟電壓的時間段處于了約1τ～3τ之間后，雖然τ變小了，但電流上電沖擊時間，實測試為1.8倍[注2]，基本與理論吻合。(注2：原電路用約0.5τ完成電流沖擊，實驗二電路用約2τ，原電路τ=500uS，而實驗二τ(R1=2.5K)=200uS，基本上實驗二的2τ(R1=2.5K)為原電路0.5τ的2倍，所以實測1.8倍基本與理論符合。)經(jīng)過上面的討論，可以看出：對MOS管的控制有兩種方法：(1)設置Uc兩端最終電壓，控制VGS電壓上升的斜率。(2)更改時間參數(shù)τ控制VGS開啟速度(也在一定程度上控制斜率)。當然可以結(jié)合兩種方法，同時進行控制，以達到控制沖擊電流的目的。

三、實踐情況

結(jié)合到上兩個實驗及分析，用兩種方法控制，將參數(shù)更改為R1=27K，R2=100K，C1=2.2uF，測試上電沖擊電流波形如圖9所示。

圖9 R1=27K，R2=100K，C1=2.2uF，測試上電沖擊電流波形(紅色為沖擊電流波形，黃色為負載電壓波形)

最大沖擊電流為4.03A，基本滿足板上電源設計要求(沖擊電流為3～5A)。不過電流上電時間變?yōu)?5.5mS，如需要再次降低沖擊電流，可以繼續(xù)加大電容。比如圖10。當電容增加到10uF時(R1=27K，R2=100K)時的電流上電波形。

圖10 R1=27K，R2=100K，C1=10uF，測試上電沖擊電流波形

圖10中電流上電波形變?yōu)?0mS。從上面的介紹可以看出“通過設置Uc兩端最終電壓”和“更改時間參數(shù)τ控制VGS開啟速度”基本上達到了控制上電沖擊電流的目的，至于如何選擇合適的參數(shù)，需要根據(jù)具體情況進行分析。

四、效果評價

可以用示波器對I2T進行的計算，(標稱2A適配器測試)如圖15、16、17所示。

圖11 原電路R1=R2=10K，C1=0.1uF時沖擊電流I2T計算

圖15可以認為是原電路中MOS管基本沒有控制，上電瞬間適配器作為恒壓源產(chǎn)生了“沖擊”，經(jīng)過示波器精確計算，在“沖擊”脈沖結(jié)束時(第一個光標處)值為0.249 A2S，在正常工作前(第二個光標處值為0.522 A2S)。

圖12 更改電路參數(shù)R1=27K，R2=100K，C1=2.2uF時沖擊電流

I2T計算更改電路參數(shù)后，MOS管有一定的控制作作，但是還是產(chǎn)生了一個“臺階”(第一光標與第二光標之間)經(jīng)過示波精確計算，在脈沖結(jié)束時(第一個光標處)值為0.239 A2S，在正常工作前(第二個光標處值為0.344 A2S)。

圖13 R1=27K，R2=100K，C1=10uF，測試上電沖擊電流波形

由于對MOS管的上電控制已經(jīng)接近或小于了適配器的電流提供能力，所以基本已經(jīng)沒了“沖擊”電流(可以認為完全是MOS管控制下的電流)，經(jīng)過計算，在正常工作前的I2T值為0.216 A2S(第二個光標處)。

注意：τ也不能過大，過大時引起上電波形過緩，導致板內(nèi)器件上電時序問題，同時過于緩慢的上電波形可能還會“損傷”或引起MOS管燒毀。

通過以上三個圖對比：MOS管的控制能力越強，“沖擊”電流越小，I2T值也越小，對保險絲等器件的“損傷”也越小。

五、總結(jié)

通過以上的分析和實際測試基本上達到了控制VGS電壓上升的斜率的目的，有效降低了脈沖“沖擊”電流對保險絲管的影響。所以可以結(jié)合如下兩種方法，同時進行控制，以達到控制沖擊電流的目的。

1、設置Uc兩端最終電壓，控制VGS電壓上升的斜率。

2、更改時間參數(shù)τ控制VGS開啟速度(也在一定程度上控制斜率)。在電路設計中有幾點需要特別關(guān)注：

(1)Uc兩端的最終電壓一定要保證VGS完全開啟和該電壓下MOS管體電阻基本達到最小。

(2)τ也不能過大，過大時引起上電波形過緩，導致板內(nèi)器件上電時序問題，同時過于緩慢的上電波形可能還會“損傷”或引起MOS管燒毀。上電時間的選擇可根據(jù)實際情況進行，建議只要滿足板上電源設計要求的3～5倍“沖擊”電流即可。鑒于緩啟動電路具有的優(yōu)點，我們在器件選型和電路設計中可以加以利用，來提高產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。

審核編輯：湯梓紅