电源缓启动(软起动)原理分享

简介: 该文讨论了电源的缓启动(软起动)技术,主要是为了解决热插拔时的电源振荡和冲击电流问题。缓启动电路有两个主要功能:防抖动延时上电和控制输入电流上升斜率。文章提到了电压斜率型缓启动电路,通过MOS管和相关电阻、电容元件实现延迟和电流控制。电路设计中,MOS管的栅极电压和漏源电流的变化决定了电流上升斜率,从而限制热插拔时的冲击。

谈起电源的缓启动(软起动),我们都知道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。

一、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,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0~t1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。

二、电压型缓启动电路

设计中通常使用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 nF~100nF;

5)R4和R5的作用是防止MOS管自激振荡,要求R4、R5lt;

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。

三、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C’gd=C2+ Cgd,由于相对于C2 来说,Cgd的容值几乎可忽略不计,所以C’gd≈C2,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。

四、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。

Uc=48*R1/(R1+R2)[1-exp(-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*ln[1-(Uc*(R1+R2)/(48*R1))]

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,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C’gd,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Ig≈Icgd,所以,Icgd=Cgd*dVgd/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)/(R3*C2)。

由此公式可以得知,漏源电压变化斜率与R3*C2的值有关,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0~t1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。

相关文章
|
7月前
|
Web App开发 关系型数据库 RDS
电源缓启动(软起动)原理
该文讨论了电源的缓启动(软起动)技术,主要是为了解决热插拔过程中可能产生的电源振荡和大电流冲击问题。缓启动通过防抖动延时和控制电流上升斜率来避免系统受影响或设备受损。文章提到了两种类型的缓启动电路:电压斜率型和电流斜率型,并详细解释了电压型缓启动电路的工作原理,包括各个元件的作用和电路的缓启动阶段。
165 12
|
5天前
|
存储 安全 固态存储
计算机启动:从插上电源到操作系统启动的全过程
当我们插上电源,计算机从休眠状态苏醒,直至操作系统完全启动,这一系列复杂的过程涉及到硬件和软件的多个层面。本文将详细解析计算机插上电源后操作系统所做的工作,揭示这一过程的技术细节。
18 6
|
7月前
|
Web App开发 关系型数据库 RDS
电源缓启动(软起动)
该文讨论了电子系统中电源缓启动(软起动)的重要性,主要是为了解决热插拔时的两大问题:机械触点弹跳引起的电源振荡和大容量电容充电造成的冲击电流。缓启动电路通过防抖动延时和控制电流上升斜率来避免系统受损。文章提到了两种类型的缓启动电路:电压斜率型和电流斜率型,并详细分析了电压斜率型缓启动电路的工作原理,包括其组件和电路图,展示了如何利用MOS管和相关电阻电容来实现缓启动功能。
|
7月前
|
Linux
Linux驱动运行灯 Heartbeat
Linux驱动运行灯 Heartbeat
108 0
|
测试技术 芯片
初始化串口后,低功耗模式下电流高是怎么回事?
初始化串口后,低功耗模式下电流高是怎么回事?
|
Windows Python
MicroPython 玩转硬件系列3:上电自动执行程序
MicroPython 玩转硬件系列3:上电自动执行程序
|
安全 数据挖掘 芯片
聊聊电源自动切换电路(常用自动切换电路总结)
今天得聊聊电源自动切换电路,实际中需要使用并且用过,那就来记录总结一下。
450 1
聊聊电源自动切换电路(常用自动切换电路总结)
|
芯片 Windows
【嵌入式系统】独立看门狗原理+看门狗实验分析
【嵌入式系统】独立看门狗原理+看门狗实验分析
549 0
【嵌入式系统】独立看门狗原理+看门狗实验分析
|
数据采集
PCIE版本CAN数据采集卡计算机启动无法正常工作
PCIE版本CAN数据采集卡计算机启动无法正常工作
374 0
PCIE版本CAN数据采集卡计算机启动无法正常工作