电源放反接设计和缓启动电路设计分析

电源的放反接设计

在实际电路调试中，会因小失误将电源的正负极接反，从而导致电路中的相关器件损坏。即在电路设计中，增加适当的防反接电路。比较简单的电路，即在电源的输入端串联一个二极管，有效避免电源反接

但，对于二极管的防反接电路中，由于二极管的特性，其存在一定的压降。以压降比较低的肖特基二极管SS14，其在负载电流为1A时的正向压降有550mV，则二极管损失的功耗就是550mW，损耗大。为了降低损耗，可考虑使用MOS管在设计防反接电路，因为MOS管在完全导通时，它的内阻比较小。
如下MOS管的防反接电路

a：R1、R2为分压电阻，D为齐纳二极管（稳压二极管），Q为N沟道MOS管。工作原理：当电源接入正确时，R1、R2串联分压，R2为Vgs两端提供正向的压降，MOS管DS两端沟道导通，为负载提供电流回路。其中D为过电压保护二极管，保护MOS管，防止MOS管Vgs电压过高对MOS管产生损坏。

当MOS管完全导通时，对于一般的NMOS管来说，其Rds可以选用几 mΩ的，其在1A负载电流时的损耗大约在几mW左右。相对于二极管的550mW的功耗，使用MOS管，能够有效的降低电源输入的损失。

当电源反接时，栅源两极并不存在正向电压差，所以漏源两极无法形成导电沟道，MOS管电阻值Rds很大，相当于开路状态，电路无法形成电流回路，故而起到防止反接的作用。

b：P沟道MOS管设计的防反接电路。
工作原理：NMOS相同，都是通过MOS管栅源两极的正向电压使漏源两极想成导电沟道。一般NMOS的导通电阻比PMOS的要小，因此常选择NMOS。

电源输入的缓启动

在电源输入的设计中，增加缓启动电路可以有效的避免电源起动时的冲击影响，电源的缓启动电路如下图所示：
缓启动电路

以MOS管BSC014N06NS为例进行阐述缓启动电路的启动过程。其导通电阻典型值为1.4mΩ，耐压值为60V。必要要先搞清楚BSC014N06NS的相关参数，以及电路中元件的主要作用。在BSC014N06NS数手册中可知：
Ciss(MAX) = 8125pF；
Coss(MAX) = 1875pF；
Crss(MAX) = 118pF；
输出电压的输出斜率主要受R4与C2决定。
对于C2的取值应满足要求
C2 >> (Cgs + Cgd)
其中Cgs = Ciss - Crss；Cgd = Crss
C2 >> 8125pF
C2的取值可以取100nF
根据C2设计输出电压斜率的时间常数τ1，根据一阶电容的零输入响应可知：τ1 = R2*C2。若设计时间常数τ1 = 100ms，则R2取值为1MΩ。还要满足R4<< R2，而R5的作用是为了防止MOS管产生自激振荡，一般取值很小。由BSC014N06NS数据手册可知，Vgs(th)最大值为3.3V，当MOS管导通之后，导通电阻Rds与Id之间的关系如下图所示：

MOS导通后Rds与Id关系图

当Vgs ≥ 6V时，漏源之间的导通电阻Rds输出随电流之间的变化较小。
由数据手册，其测试数据如表1-1

BSC014N06NS导通电压Vgs≥6V，此刻取值为6V。
由测试数据可知，当Vgs = 6V、Id = 12.5A时，漏源之间的导通电阻Rds = 1.6mΩ，一般情况下，在电子电路中其电流值不会超过12.5A。
为降低支路损耗，可将分压支路总电阻设计到200k欧姆左右。

在电源电压为12V时，则其支路损耗电流为0.06mA，支路损耗为0.72mW，均可忽略不计。
采用2个完全相同的100k电阻串联实现分压。
防止过电压对MOS管产生损害，在MOS管的栅源两极并联一个保护二极管。
二极管V2的关断电压为7V，反向击穿电压最小值为7.78V，钳位电压为12V。而MOS管的栅源电压工作范围为±20V，能够满足保护要求。

电容C1与R1、R2组成的RC电路主要只要作用时，为了保证在上电瞬间MOS管处于截至状态，起到延时开通电路的作用。

其延时的时间常数主要取决于τ2
根据一阶电容的零输入响应有：
τ2 = (R1 + R2) * C1
R3作用：
1.为了给MOS的提供Vgs需要的电压，
2.在断电时，给电容提供放电回路，其放电时间常数可根据电容的零状态响应进行计算。
通过Multisim仿真来进一步说明电路的工作原理，其仿真图可直接下载文件仿真。在仿真文件中图中C3、C4、C5、C6为去耦电容，在整个电路缓启动过行程中不起作用。电源电压取12V，负载取值为1K。

上电瞬间，MOS管栅源电压为0，MOS管处于截至状态，漏源(DS)两端电压等于电源电压，即Vgs = 12V。当二级管导通后，栅极电压随着电容C1变化。此时MOS管任然工作在截至状态，截至状态的持续时间主要取决于时间常数R1*C1

当电压升高到Vgs = Vgs(th)时，MOS管开始导通此时Ids开始有电流流过，由于DS之间还未完全导通，Vds之间的电压下降的并不明显。当栅极继续充电进入米勒平台后，其栅极电压保持不变，二极管D1处于截至状态。

米勒平台持续时间主要取决于电容C2，此时，MOS管DS两端电压开始以时间常数R2*C2下降。当栅极电荷充满后，MOS管完全导通，此时MOS管的漏源电压Vds = 0V，此时负载电压和电流均达到最大值。在此过程中，负载电压和电流也按照相同的斜率进行上升。

仿真缓启动波形图

示波器XSC1中红色曲线是MOS管漏源电压Vds，
蓝色曲线：栅源电压Vgs
绿色曲线：C1两端电压
示波器XSC2红线：负载电压曲线
橙色线：负载电流曲线
蓝色竖线：进入米勒平台，电路的换启动过程，米勒平台结束，缓启动完成。
综上所述，闭合开关后缓启动电路有三个阶段的工作状态。
第一阶段：MOS管截至，截止持续时间取决于时间常数R1*C1。
第二阶段：也是缓启动电路的缓启动过程，在此过程中电路的启动斜率主要取决于时间常数R2*C2，此阶段Vgs处于米勒平台区间，这个阶段是整个电路的核心阶段。
第三个阶段：米勒平台结束，MOS管完全导通，整个电路也完全导通。

编辑：黄飞