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【電路設計】緩啟動電路的工作原理

硬件電子工程師. ? 來源:硬件電子工程師. ? 作者:硬件電子工程師 ? 2022-10-25 16:29 ? 次閱讀
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【摘要】

通信產品一般采用分散供電方式,各單板上采用DC/DC模塊將-48V電源轉換為其所需的5V、3.3V、2.5V等子電源。由于輸入電壓高,電源電路中又存在用于濾波和防止DIP的大電容,在單板插入上電時,會對-48V電源造成沖擊,瞬時大電流將造成-48V電源電壓出現跌落,可能影響到其它單板的正常工作;同時,由于瞬時大電流的原因,單板插入時在接插件上會產生明顯的打火現象,這會引起電磁干擾,并對接插件造成腐蝕。為了避免上述現象,-48V電源供電單板需要“緩慢”上電。

一、緩啟動電路的作用

通信設備產品單板上幾乎都在電源模塊的輸入端設計有緩啟動電路,緩啟動電路的功能主要有兩個: 1、延遲單板電源的上電時間:我們的單板一般都要求支持熱拔插,當單板插入子架時,單板插頭和母板插針的接觸是不穩定的,為了避免這種抖動的影響,可以在電源模塊和母板電源之間加一個電路,使母板的電源延遲一段時間以后再加到電源模塊。 2、減小上電的沖擊電流:由于單板電源都接有濾波電容,電源上電瞬間跳變時由于電容的充電,會產生較大的沖擊電流,造成母板電源電壓抖動,跌落,以及強烈的電磁輻射,很容易對其他工作中的單板造成不良影響,如果能把電源的上電速度變緩一些,就能有效的減小這種影響。

二、緩啟動電路的工作原理

電路的原理圖:

poYBAGNXnXeAY0B0AAAKBm9nnyA617.png

緩啟動電路由R39,R49,C7和Q31組成,Q31是絕緣柵型場效應管,也是緩啟動電路最關鍵的器件。為了理解緩啟動的原理,首先我們來回顧一下MOS管的一點基礎知識。下圖大致描述了典型的MOS管的轉移特性:

pYYBAGNXnXyAAt8OAABMmcHSGIk760.png

MOS管的特性表明,當Vgs小于一定電壓(Vth)時,DS極之間的電阻Rds是很大的,可以認為開路,電流不能通過;當Vgs達到Vth時,MOS管開始導通,Rds隨Vgs的增加迅速減小。當Vgs達到一定的程度,Rds很小,可以認為DS之間是近似短路的。Vth可以稱之為開啟電壓(Voltage-Gate threshold),一般為2-4V。 在的緩啟動電路中,電阻R39,R49和C7構成了分壓式RC時間常數電路,C7并聯在Q31的GS極之間,也就是Vc7=Vgs。當48V電源剛加到單板時,C7未充電,Vgs=0,MOS不導通,電源模塊不供電。隨后,48V通過R39,R49向C7充電,當C7的電壓達到Vth時,MOS開始導通,這一階段,完成的是延時上電的作用,延遲時間可由下式估算:

Uin(R39/(R39+R49))(1-e-T/? )=Vth其中,T為延遲時間, Uin=48V,?為RC電路的時間常數,?=C7(R39//R49),Vth一般取4V。將原理圖中數值代入計算可知,延遲時間T約等于15.3ms。 MOS管開始導通后,Vgs繼續增加(直到12V左右),Rds迅速減小,緩啟動的輸出電壓逐漸升高直到到與輸入電壓基本一致。電源模塊開始工作,單板正式上電。在這一過程中,輸出電壓并不是瞬間跳變到最高的,因此,大大減輕了沖擊電流的干擾。這一過程的時間與C7的充電速度,MOS的特性,負載特性都有關系,難以具體計算,具體還需實測調整。

三、實測波形分析

下圖是緩啟動的輸入電壓上電波形

pYYBAGNXnYKARg-oAABGCsgMAOA729.png

這是緩啟動輸入端在電源開關閉合瞬間的波形,可以看到畫圓圈處的抖動,持續時間約1ms,如果是熱拔插,這個抖動的幅度和持續時間都將可能更大。 下圖是緩啟動的C7電壓上升波形

poYBAGNXnYiAfgeGAAAHnVTHQ6w321.png

可以看到,上電15ms后,C7電源上升到約4V,與理論計算值基本一致。 下圖是緩啟動MOS管的D,S間電壓波形。

pYYBAGNXnY2AICBBAAALrO3N16U227.png

可以看到,在開關閉合后的14ms以內,輸入電壓完全加在MOS的DS兩端,這與理論計算值基本一致(由于MOS管的Vth并不一定是4V,有些誤差是很正常的),從14ms開始,Vds以指數方式下降,過程時間約4ms。 下圖是緩啟動輸出的電壓波形。

poYBAGNXnZOAMWabAAAHAP-ue5g416.png

可以看到,對比緩啟動的輸入電壓上電波形,緩啟動的輸出電壓不再有開關閉合時的抖動,而且上電邊沿也非常明顯,過程約4ms,實現了減小上電沖擊的目的。 讓我們再把所有的波形放在同一時間軸上來比較一下,如下:

poYBAGNXnZiAPgRPAABqUvwWCpw695.png

可以看到,經過緩啟動電路之后,單板實際供電電壓Uout比輸入電壓Uin總共延時了將近20ms,不但消除了上電抖動,而且有效減小了沖擊。

四、總結

1、緩啟動的時間常數電路必須確保電容充電完成后其電壓不能大于15V,因為一般大功率MOS管的G,S間擊穿電壓在20V左右,電壓過高,會損壞MOS管(現在很多單板上在電容兩端并聯了一個穩壓管就是起這個作用的),但是也不應該低于10V,因為一般大功率MOS管的D,S間電阻Rds都需要Vgs達到10V后才達到最小值(一般在0.1ohm量級)。

2、緩啟動的延遲時間不能太長,原因有二。其一,延遲太長,熱拔插時,單板接口信號線已連接,而電源仍未上電,會造成接口器件閂鎖損壞;其二,緩啟動關鍵器件MOS管在從截止到導通轉換的過程中瞬間功耗是非常大的,如果電容充電過于緩慢,造成邊沿時間太長,MOS管將因為功耗過大而損壞。延時一般取幾十毫秒。

審核編輯:湯梓紅

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