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帶軟開啟功能的MOS管電源開關電路

互聯網偶像派 ? 2021-09-02 10:06 ? 次閱讀

電源開關電路,經常用在各“功能模塊”電路的電源通斷控制,是常用電路之一。本文要講解的電源開關電路,是用MOS管實現的,且帶軟開啟功能。

電路說明

電源開關電路,尤其是MOS管電源開關電路,經常用在各“功能模塊”電路的電源通斷控制,如下框圖所示。

format,png

圖中一個MOS管符號代表一個完成電路

在設計時,只要增加一個電容(C1),一個電阻(R2),就可以實現軟開啟(soft start)功能。

format,pngC1、R2實現軟開關功能

軟開啟,是指電源緩慢開啟,以限制電源啟動時的浪涌電流。在沒有做軟開啟時,電源電壓的上升會比較陡峭,見下圖:

format,png

沒有做軟開啟,電壓上升比較陡峭

加入軟開啟功能后,電源開關會慢慢打開,電源電壓也就會慢慢上升,上升沿會比較平緩,見下圖:

format,png

加入軟開啟,電壓上升比較平緩

浪涌電流可能會令電源系統突然不堪重負而掉電,導致系統不穩定,嚴重的可能會損壞電路上的元器件

format,png

浪涌導致不穩定,甚至損壞電路

電源上電過快過急,負載瞬間加電,會突然索取非常大的電流。比如在電源電壓是5V,負載是個大容量電容的時候,電源瞬間開啟令電壓瞬間上升達到5V,電容充電電流會非常大。如果同樣的時間內電源電壓只上升到2.5V,那么電流就小得多了,下面從數學上分析一下。

電量 = 電容容量 * 電容兩端的電壓,即:

Q = C * U

同時 電量 = 電流 * 時間,即:

Q = I * t

所以電流:

I = (CU) / t

從公式可以看出,當電容容量越大,電壓越高,時間越短,電流就會越大,從而形成浪涌電流。

大電容只是形成浪涌電流的原因之一,其他負載也會引起浪涌電流。

原理分析

1、控制電源開關的輸入信號 Control 為低電平或高阻時,三極管Q2的基極被拉低到地,為低電平,Q2不導通,進而MOS管Q1的Vgs = 0,MOS管Q1不導通,+5V_OUT 無輸出。電阻R4是為了在 Control 為高阻時,將三極管Q2的基極固定在低電平,不讓其浮空。

format,png

2、當電源 +5V_IN 剛上電時,要求控制電源開關的輸入信號 Control 為低電平或高阻,即關閉三極管Q2,從而關閉MOS管Q1。因 +5V_IN 還不穩定,不能將電源打開向后級電路輸出。此時等效電路圖如下。

format,png

此時電源 +5V_IN 剛上電,使MOS管G極與S極等電勢,即Vgs = 0,令Q1關閉。

3、電源 +5V_IN 上電完成后,MOS管G極與S極兩端均為5V,仍然Vgs = 0。

4、此時將 Control 設為高電平(假設高電平為3.3V),則:

format,png

①三極管Q2的基極為0.7V,可算出基極電流Ibe為:

(3.3V - 0.7V) / 基極電阻R3 = 0.26mA

三級管Q2飽和導通,Vce ≈ 0。電容C1通過電阻R2充電,即C1與G極相連端的電壓由5V緩慢下降到0V,導致Vgs電壓逐漸增大。

③MOS管Q1的Vgs緩慢增大,令其緩慢打開直至完全打開。最終Vgs = -5V。

④利用電容C1的充電時間實現了MOS管Q1的緩慢打開(導通),實現了軟開啟的功能。

MOS管打開時的電流流向如下圖所示:

format,png

5、電源打開后,+5V_OUT 輸出為5V電壓。此時將 Control 設為低電平,三極管Q2關閉,電容C1與G極相連端通過電阻R2放電,電壓逐漸上升到5V,起到軟關閉的效果。軟關閉一般不是我們想要的,過慢地關閉電源,可能出現系統不穩定等異常。過程如下圖:

format,png

一般情況下還是放心使用軟啟動功能,伴隨而來的軟關閉效果一般沒什么影響。

電路參數設定說明

調整C1、R2的值,可以修改軟啟動的時間。值增大,則時間變長。反之亦然。

文章來源:芯片之家(ID:chiphome-dy)

作者:LR梁銳

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