2022年电源的缓启动电路分析 .pdf

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# 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 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，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 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： 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 ，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 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。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 Vth 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 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 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 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 - - - - - - - - -