剖析MOS管電源開關(guān)電路的軟啟動(dòng)

在一片文章中看到作者在做一款大電壓、大電流供電的產(chǎn)品，測試發(fā)現(xiàn)啟動(dòng)時(shí)的沖擊電流很大，最大達(dá)到了14.2A，見下圖示波器通道2的藍(lán)色波形：

▲ 通道4的綠色波形是采樣電阻的電壓

當(dāng)時(shí)作者沒有經(jīng)驗(yàn)，不知道如何去解決。后來同事指點(diǎn)說，解決這個(gè)問題需要增加緩啟動(dòng)電路，也叫軟啟動(dòng)電路。同事繼續(xù)解釋道：這個(gè)電路的供電是由一個(gè)PMOS控制通斷的，軟啟動(dòng)的設(shè)計(jì)是讓PMOS的導(dǎo)通時(shí)間變緩，電路上的做法是在PMOS的柵極和源極之間接一個(gè)合適的電容，PMOS的導(dǎo)通時(shí)間就會(huì)變緩了。作者聽了同學(xué)的解答之后，在PMOS的柵極和源極之間接了一個(gè)電容，發(fā)現(xiàn)開機(jī)沖擊電流降下來了。試了幾個(gè)不同容值的電容，對(duì)應(yīng)的效果不一樣。最后作者選了一個(gè)合適的電容換上去，電池的開機(jī)沖擊電流降到了2.6A：

可惜作者在文章中沒有給出具體的原理圖。不過從作者的描述來看，差不多就是我之前寫過的《帶軟開啟功能的MOS管電源開關(guān)電路》。只是電路參數(shù)有區(qū)別，能通過的電流、能承受的耐壓等不一樣，但是軟啟動(dòng)的原理是一樣的。

作為上面案例的補(bǔ)充，讓我們重溫一下MOS管電源開關(guān)電路軟啟動(dòng)的原理。下面用來講解的電路，以5V的電壓為例，一般控制1A左右的電流的通斷，已經(jīng)大批量使用：

電源開關(guān)電路，經(jīng)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(guān)電路，是用MOS管實(shí)現(xiàn)的，且?guī)к涢_啟功能，非常經(jīng)典。既然帶“軟”開啟功能，不妨把這個(gè)電路理解為一個(gè)“軟”妹紙，讓咱們深入去了解她吧！

一、電路說明電源開關(guān)電路，尤其是MOS管電源開關(guān)電路，經(jīng)常用在各“功能模塊”電路的電源通斷控制，如下框圖所示：

▲ 框圖中“1個(gè)MOS管符號(hào)”代表“1個(gè)完整的MOS管電源開關(guān)電路”在設(shè)計(jì)時(shí)，只要增加一個(gè)電容（C1），一個(gè)電阻（R2），就可以實(shí)現(xiàn)軟開啟（soft start）功能。

軟開啟，是指電源緩慢開啟，以限制電源啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流。在沒有做軟開啟時(shí)，電源電壓的上升會(huì)比較陡峭。

加入軟開啟功能后，電源開關(guān)會(huì)慢慢打開，電源電壓也就會(huì)慢慢上升，上升沿會(huì)比較平緩。

浪涌電流可能會(huì)令電源系統(tǒng)突然不堪重負(fù)而掉電，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。嚴(yán)重的可能會(huì)損壞電路上的元器件。

電源上電過快過急，負(fù)載瞬間加電，會(huì)突然索取非常大的電流。比如在電源電壓是5V，負(fù)載是個(gè)大容量電容的時(shí)候，電源瞬間開啟令電壓瞬間上升達(dá)到5V，電容充電電流會(huì)非常大。如果同樣的時(shí)間內(nèi)電源電壓只上升到2.5V，那么電流就小得多了。

下面從數(shù)學(xué)上分析一下。電量 = 電容容量 * 電容兩端的電壓，即：Q = C * U同時(shí) 電量 = 電流 * 時(shí)間，即：Q = I * t所以電流：I = （CU） / t從公式可以看出，當(dāng)電容容量越大，電壓越高，時(shí)間越短，電流就會(huì)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(fù)載也會(huì)引起浪涌電流。

二、原理分析1、控制電源開關(guān)的輸入信號(hào) Control 為低電平或高阻時(shí)，三極管Q2的基極被拉低到地，為低電平，Q2不導(dǎo)通，進(jìn)而MOS管Q1的Vgs = 0，MOS管Q1不導(dǎo)通，+5V_OUT 無輸出。電阻R4是為了在 Control 為高阻時(shí)，將三極管Q2的基極固定在低電平，不讓其浮空。

2、當(dāng)電源 +5V_IN 剛上電時(shí)，要求控制電源開關(guān)的輸入信號(hào) Control 為低電平或高阻，即關(guān)閉三極管Q2，從而關(guān)閉MOS管Q1。因 +5V_IN 還不穩(wěn)定，不能將電源打開向后級(jí)電路輸出。此時(shí)等效電路圖如下：

此時(shí)電源 +5V_IN 剛上電，使MOS管G極與S極等電勢，即Vgs = 0，令Q1關(guān)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(shí)將 Control 設(shè)為高電平（假設(shè)高電平為3.3V），則：

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 = 0.26mA②三級(jí)管Q2飽和導(dǎo)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(dǎo)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(shí)間實(shí)現(xiàn)了MOS管Q1的緩慢打開（導(dǎo)通），實(shí)現(xiàn)了軟開啟的功能。

5、電源打開后，+5V_OUT 輸出為5V電壓。此時(shí)將 Control 設(shè)為低電平，三極管Q2關(guān)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(guān)閉的效果。軟關(guān)閉一般不是我們想要的，過慢地關(guān)閉電源，可能出現(xiàn)系統(tǒng)不穩(wěn)定等異常。過慢地開啟和關(guān)閉電源都可能導(dǎo)致電路系統(tǒng)異常，這個(gè)MOS管電源開關(guān)電路及其參數(shù)已經(jīng)過大批量使用驗(yàn)證，一般情況下可以直接照搬使用。

三、電路參數(shù)設(shè)定說明調(diào)整C1、R2的值，可以修改軟啟動(dòng)的時(shí)間。值增大，則時(shí)間變長。反之亦然。如果不想使用軟開啟功能，直接不上件電容C1即可。使用原理圖中所標(biāo)型號(hào)的MOS管（WPM2341A-3/TR），通過的電流最好不要超過1.75A，留至少30%的余量，并且要注意散熱。余量是否足夠，跟MOS管的溫度有關(guān)，應(yīng)用時(shí)要注意做好實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

四、最后關(guān)于電路的學(xué)習(xí)，希望大家enjoy！

編輯：jq