【实用电路设计案例】缓启动电路实例分析与应用

【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

某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)。

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。

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。

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。

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。

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>

最后计算得出：

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

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。

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：

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。

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。

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。

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)。

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)。

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