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【实用电路设计案例】缓启动电路实例分析与应用

硬件电子工程师. 来源:硬件电子工程师. 作者:硬件电子工程师 2022-10-25 16:55 次阅读

【摘要】

本文根据某产品单板电路测试过程的浪涌电流冲击问题,详细分析了MOS管缓启动电路的RC参数,通过分析和实际对电路参数的更改,使电路的浪涌电流冲击满足板上电源要求。

一、问题的提出

通信产品电路测试时发现浪涌电流冲击过大,可能会损坏保险丝或MOS管等器件,而且有的即使没有损坏也有可能会影响其使用寿命(图1)。

poYBAGNXoeCATJJVAAEGilv6kcU194.png

图1改前测试冲击电流

从上图可以看出冲击电流很大,达23.0A,远大于满载工作电流(1A左右),板上电源设计指南要求是满载工作电流的3~5倍,所以需要整改以达到板上电源要求,电路原理图如图2所示。

poYBAGNXofGAI0NOAAAa5M55nVw769.png

图2原电路原理图

二、解决思路

将原电路原理图(图2)等效为图3。

poYBAGNXogKAGvhpAAAVrBfT0BM498.png

图3原理图等效[注1]

注1:R270等效为R1,R271等效为R2,C136等效为C1,MOS管为VT1,全部负载等效为RL,全部电容等效为CL,D1在计算中用不到。

根据MOS管开启电压和RDS的特性曲线(图4)可知,控制了MOS管VGS电压线性度就能精确控制冲击电流。所以图3中外接电容C1、R1和R2被用来作为积分器对MOS管的开关特性进行精确控制,达到控制上电冲击电流的目的。

poYBAGNXoiCAL0o6AAAee0Zye08839.png

poYBAGNXoieAfqJCAAAfk7xe3Vo761.png

pYYBAGNXoi6AaE12AAAVEAppXBs807.png

图4本文原理图中MOS管(Si4463DY)VGS(th)与电流ID和电阻RDS的关系

原电路就是利用这个原理进行上电控制的,但是参数设置有问题,所以才出现了图1中的较大冲击电流。现将简化电路原理图(图3)VT1前面的上电控制电路等效为图5进行计算。

poYBAGNXolaAVcrxAAA-gYsbtgI766.png

图5简化VT1前面的上电控制电路

1、上电时间计算

1)时间参数τ。由于图5(a)中MOS管内部电容Cgs<所以vt1前面的上电控制电路可以简化为图5(b)所示,又电容c1充电时间参数τ=r*c1,计算电容上电时需要将电源短路,所以根据图5(c)可知r=r1>

pYYBAGNXomuAXT-vAAASGW7tKjc188.png

最后计算得出:

pYYBAGNXonOAQYnJAAAXJHaH3D0771.png

pYYBAGNXonuAdgGTAAAMp56IJ54751.png

所以Uc的上电完成时间只与τ相关,但是上电的斜率将同时与R1/(R1+R2)和τ相关,下面用两个实验予以说明。

2、实验验证

实验(1):更改时间参数τ(更改C1)控制VGS开启速度

poYBAGNXooyAbxezAAAdLSGLHdY514.png

图6 R1=R2=10Kohm,C1=2.2uF时上电电流波形

根据计算τ=(R1//R2)*C1=11mS,从图6可以看出上电时间变大了,为3.6mS,冲击电源也由原来的23.0A变为现在的9.26A。说明一定程度上控制了其上电时间和冲击电流。但是,τ变为原来的22倍,电流冲击时间变为原来的15倍,冲击电流只变为原来的40%,不能完全够达到精确控制的目的。实验(2):设置Uc电压以达到控制上电时间的目的根据MOS管开启电压的特性曲线图4,可以看出:1V~2.5V这段为MOS管开启的过程,精确控制这段电压的上升过程(斜率)将可以有效控制上电冲击电流的大小。更改电阻R1=2.7K,R2=10K和C1=0.1uF不变时上电电流波形如图7所示。

poYBAGNXoqCAVtplAAAgomsumgc079.png

图7 R1=2.7K,R2=10Kohm,C1=0.1uF时上电电流波形(红色曲线为上电电流波形,黄色为Uc两端电压波形)

根据计算τ=(R1//R2)*C1=0.2mS,变小了,但是从图7可以看出上电时间却变大了,为425uS,冲击电源也由原来的23.0A变为现在的8.35A。对比两个实验可以发现:改变R1,τ变小了,但电流上电时间却变大了,而且电流冲击时间在只变大1.8倍的情况下,冲击电流的幅度却变为原来的36%;而改变τ(即改变C1),在电流冲击上升时间变为原来的15倍时,电流幅度才变为原来的40%,所以改变R1对MOS管VGS的精确控制效果明显。

3、原因分析

电容归一化上电波形如图8所示:

poYBAGNXormAKZtdAAB69InRK64106.png

图8 归一化电容上电波形t1τ2τ3τ5τ

Uc0.6320.8650.950.9933

从图8可以看出:原电路中Uc两端最终电压在1τ(图8中红色曲线部分)内将从0V上升到Uc*0.632=3.8V,而从3.8V上升到6V需要至少4τ(1τ~5τ)。而电路中MOS管开启电压是1V~2.5V,这段电压在小于0.5τ时间内就完成了,所以可以得出其上电时间(1~2.5V的时间)应小于0.5τ,即小于250uS,根据图1可以看出,冲击电流的时间约为240uS左右,与计算基本吻合。实验(1)电路中Uc最终两端电压与原电路相同为6V,不过τ变为原来的22倍为11mS,MOS管开启电压在1V~2.5V段上升时间也应该小于0.5τ,实测试为3.6mS,小于0.5τ(5.5mS)也基本与理论计算吻合实验(2)电路中Uc最终两端约为2.5V。开启电压的时间段处于了约1τ~3τ之间后,虽然τ变小了,但电流上电冲击时间,实测试为1.8倍[注2],基本与理论吻合。(注2:原电路用约0.5τ完成电流冲击,实验二电路用约2τ,原电路τ=500uS,而实验二τ(R1=2.5K)=200uS,基本上实验二的2τ(R1=2.5K)为原电路0.5τ的2倍,所以实测1.8倍基本与理论符合。)经过上面的讨论,可以看出:对MOS管的控制有两种方法:(1)设置Uc两端最终电压,控制VGS电压上升的斜率。(2)更改时间参数τ控制VGS开启速度(也在一定程度上控制斜率)。当然可以结合两种方法,同时进行控制,以达到控制冲击电流的目的。

三、实践情况

结合到上两个实验及分析,用两种方法控制,将参数更改为R1=27K,R2=100K,C1=2.2uF,测试上电冲击电流波形如图9所示。

poYBAGNXowSAObYEAAAd-eQ3dnA595.png

图9 R1=27K,R2=100K,C1=2.2uF,测试上电冲击电流波形(红色为冲击电流波形,黄色为负载电压波形)

最大冲击电流为4.03A,基本满足板上电源设计要求(冲击电流为3~5A)。不过电流上电时间变为25.5mS,如需要再次降低冲击电流,可以继续加大电容。比如图10。当电容增加到10uF时(R1=27K,R2=100K)时的电流上电波形。

pYYBAGNXoyuAaMDYAAAfaM4rsPY483.png

图10 R1=27K,R2=100K,C1=10uF,测试上电冲击电流波形

图10中电流上电波形变为90mS。从上面的介绍可以看出“通过设置Uc两端最终电压”和“更改时间参数τ控制VGS开启速度”基本上达到了控制上电冲击电流的目的,至于如何选择合适的参数,需要根据具体情况进行分析。

四、效果评价

可以用示波器对I2T进行的计算,(标称2A适配器测试)如图15、16、17所示。

poYBAGNXo0-ASYeqAACZxCUYVWk613.png

图11 原电路R1=R2=10K,C1=0.1uF时冲击电流I2T计算

图15可以认为是原电路中MOS管基本没有控制,上电瞬间适配器作为恒压源产生了“冲击”,经过示波器精确计算,在“冲击”脉冲结束时(第一个光标处)值为0.249 A2S,在正常工作前(第二个光标处值为0.522 A2S)。

pYYBAGNXo4mAbdisAADD1VOwxGk246.png

图12 更改电路参数R1=27K,R2=100K,C1=2.2uF时冲击电流

I2T计算更改电路参数后,MOS管有一定的控制作作,但是还是产生了一个“台阶”(第一光标与第二光标之间)经过示波精确计算,在脉冲结束时(第一个光标处)值为0.239 A2S,在正常工作前(第二个光标处值为0.344 A2S)。

pYYBAGNXo6mACiAUAABmh_FPbH0277.png

图13 R1=27K,R2=100K,C1=10uF,测试上电冲击电流波形

由于对MOS管的上电控制已经接近或小于了适配器的电流提供能力,所以基本已经没了“冲击”电流(可以认为完全是MOS管控制下的电流),经过计算,在正常工作前的I2T值为0.216 A2S(第二个光标处)。

注意:τ也不能过大,过大时引起上电波形过缓,导致板内器件上电时序问题,同时过于缓慢的上电波形可能还会“损伤”或引起MOS管烧毁。

通过以上三个图对比:MOS管的控制能力越强,“冲击”电流越小,I2T值也越小,对保险丝等器件的“损伤”也越小。

五、总结

通过以上的分析和实际测试基本上达到了控制VGS电压上升的斜率的目的,有效降低了脉冲“冲击”电流对保险丝管的影响。所以可以结合如下两种方法,同时进行控制,以达到控制冲击电流的目的。

1、设置Uc两端最终电压,控制VGS电压上升的斜率。

2、更改时间参数τ控制VGS开启速度(也在一定程度上控制斜率)。在电路设计中有几点需要特别关注:

(1)Uc两端的最终电压一定要保证VGS完全开启和该电压下MOS管体电阻基本达到最小。

(2)τ也不能过大,过大时引起上电波形过缓,导致板内器件上电时序问题,同时过于缓慢的上电波形可能还会“损伤”或引起MOS管烧毁。上电时间的选择可根据实际情况进行,建议只要满足板上电源设计要求的3~5倍“冲击”电流即可。鉴于缓启动电路具有的优点,我们在器件选型和电路设计中可以加以利用,来提高产品的性能和质量。

审核编辑:汤梓红

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