緩啟動(dòng)電路的工作原理、實(shí)例分析與應(yīng)用

01緩啟動(dòng)電路的工作原理

通信產(chǎn)品一般采用分散供電方式，各單板上采用DC/DC模塊將-48V電源轉(zhuǎn)換為其所需的5V、3.3V、2.5V等子電源。由于輸入電壓高，電源電路中又存在用于濾波和防止DIP的大電容，在單板插入上電時(shí)，會(huì)對(duì)-48V電源造成沖擊，瞬時(shí)大電流將造成-48V電源電壓出現(xiàn)跌落，可能影響到其它單板的正常工作；同時(shí)，由于瞬時(shí)大電流的原因，單板插入時(shí)在接插件上會(huì)產(chǎn)生明顯的打火現(xiàn)象，這會(huì)引起電磁干擾，并對(duì)接插件造成腐蝕。為了避免上述現(xiàn)象，-48V電源供電單板需要“緩慢”上電。

一、緩啟動(dòng)電路的作用

通信設(shè)備產(chǎn)品單板上幾乎都在電源模塊的輸入端設(shè)計(jì)有緩啟動(dòng)電路，緩啟動(dòng)電路的功能主要有兩個(gè)：

1、延遲單板電源的上電時(shí)間：我們的單板一般都要求支持熱拔插，當(dāng)單板插入子架時(shí)，單板插頭和母板插針的接觸是不穩(wěn)定的，為了避免這種抖動(dòng)的影響，可以在電源模塊和母板電源之間加一個(gè)電路，使母板的電源延遲一段時(shí)間以后再加到電源模塊。

2、減小上電的沖擊電流：由于單板電源都接有濾波電容，電源上電瞬間跳變時(shí)由于電容的充電，會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊電流，造成母板電源電壓抖動(dòng)，跌落，以及強(qiáng)烈的電磁輻射，很容易對(duì)其他工作中的單板造成不良影響，如果能把電源的上電速度變緩一些，就能有效的減小這種影響。

二、緩啟動(dòng)電路的工作原理

電路的原理圖：

緩啟動(dòng)電路由R39，R49，C7和Q31組成，Q31是絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管，也是緩啟動(dòng)電路最關(guān)鍵的器件。為了理解緩啟動(dòng)的原理，首先我們來(lái)回顧一下MOS管的一點(diǎn)基礎(chǔ)知識(shí)。下圖大致描述了典型的MOS管的轉(zhuǎn)移特性：

MOS管的特性表明，當(dāng)Vgs小于一定電壓（Vth）時(shí)，DS極之間的電阻Rds是很大的，可以認(rèn)為開(kāi)路，電流不能通過(guò)；當(dāng)Vgs達(dá)到Vth時(shí)，MOS管開(kāi)始導(dǎo)通，Rds隨Vgs的增加迅速減小。當(dāng)Vgs達(dá)到一定的程度，Rds很小，可以認(rèn)為DS之間是近似短路的。Vth可以稱之為開(kāi)啟電壓（Voltage－Gate threshold），一般為2－4V。

在的緩啟動(dòng)電路中，電阻R39，R49和C7構(gòu)成了分壓式RC時(shí)間常數(shù)電路，C7并聯(lián)在Q31的GS極之間，也就是Vc7＝Vgs。當(dāng)48V電源剛加到單板時(shí)，C7未充電，Vgs＝0，MOS不導(dǎo)通，電源模塊不供電。隨后，48V通過(guò)R39，R49向C7充電，當(dāng)C7的電壓達(dá)到Vth時(shí)，MOS開(kāi)始導(dǎo)通，這一階段，完成的是延時(shí)上電的作用，延遲時(shí)間可由下式估算：

Uin(R39/(R39+R49))(1－e-T/? )=Vth

其中，T為延遲時(shí)間， Uin＝48V，?為RC電路的時(shí)間常數(shù)，?＝C7（R39//R49），Vth一般取4V。將原理圖中數(shù)值代入計(jì)算可知，延遲時(shí)間T約等于15.3ms。

MOS管開(kāi)始導(dǎo)通后，Vgs繼續(xù)增加（直到12V左右），Rds迅速減小，緩啟動(dòng)的輸出電壓逐漸升高直到到與輸入電壓基本一致。電源模塊開(kāi)始工作，單板正式上電。在這一過(guò)程中，輸出電壓并不是瞬間跳變到最高的，因此，大大減輕了沖擊電流的干擾。這一過(guò)程的時(shí)間與C7的充電速度，MOS的特性，負(fù)載特性都有關(guān)系，難以具體計(jì)算，具體還需實(shí)測(cè)調(diào)整。

三、實(shí)測(cè)波形分析

下圖是緩啟動(dòng)的輸入電壓上電波形

這是緩啟動(dòng)輸入端在電源開(kāi)關(guān)閉合瞬間的波形，可以看到畫圓圈處的抖動(dòng)，持續(xù)時(shí)間約1ms，如果是熱拔插，這個(gè)抖動(dòng)的幅度和持續(xù)時(shí)間都將可能更大。

下圖是緩啟動(dòng)的C7電壓上升波形

可以看到，上電15ms后，C7電源上升到約4V，與理論計(jì)算值基本一致。

下圖是緩啟動(dòng)MOS管的D，S間電壓波形。

可以看到，在開(kāi)關(guān)閉合后的14ms以內(nèi)，輸入電壓完全加在MOS的DS兩端，這與理論計(jì)算值基本一致（由于MOS管的Vth并不一定是4V，有些誤差是很正常的），從14ms開(kāi)始，Vds以指數(shù)方式下降，過(guò)程時(shí)間約4ms。

下圖是緩啟動(dòng)輸出的電壓波形。

可以看到，對(duì)比緩啟動(dòng)的輸入電壓上電波形，緩啟動(dòng)的輸出電壓不再有開(kāi)關(guān)閉合時(shí)的抖動(dòng)，而且上電邊沿也非常明顯，過(guò)程約4ms，實(shí)現(xiàn)了減小上電沖擊的目的。

讓我們?cè)侔阉械牟ㄐ畏旁谕粫r(shí)間軸上來(lái)比較一下，如下：

可以看到，經(jīng)過(guò)緩啟動(dòng)電路之后，單板實(shí)際供電電壓Uout比輸入電壓Uin總共延時(shí)了將近20ms，不但消除了上電抖動(dòng)，而且有效減小了沖擊。

四、總結(jié)

1、緩啟動(dòng)的時(shí)間常數(shù)電路必須確保電容充電完成后其電壓不能大于15V，因?yàn)橐话愦蠊β蔒OS管的G，S間擊穿電壓在20V左右，電壓過(guò)高，會(huì)損壞MOS管（現(xiàn)在很多單板上在電容兩端并聯(lián)了一個(gè)穩(wěn)壓管就是起這個(gè)作用的），但是也不應(yīng)該低于10V，因?yàn)橐话愦蠊β蔒OS管的D，S間電阻Rds都需要Vgs達(dá)到10V后才達(dá)到最小值（一般在0.1ohm量級(jí)）。

2、緩啟動(dòng)的延遲時(shí)間不能太長(zhǎng)，原因有二。其一，延遲太長(zhǎng)，熱拔插時(shí)，單板接口信號(hào)線已連接，而電源仍未上電，會(huì)造成接口器件閂鎖損壞；其二，緩啟動(dòng)關(guān)鍵器件MOS管在從截止到導(dǎo)通轉(zhuǎn)換的過(guò)程中瞬間功耗是非常大的，如果電容充電過(guò)于緩慢，造成邊沿時(shí)間太長(zhǎng)，MOS管將因?yàn)楣倪^(guò)大而損壞。延時(shí)一般取幾十毫秒。

02緩啟動(dòng)電路實(shí)例分析與應(yīng)用

根據(jù)某產(chǎn)品單板電路測(cè)試過(guò)程的浪涌電流沖擊問(wèn)題，詳細(xì)分析了MOS管緩啟動(dòng)電路的RC參數(shù)，通過(guò)分析和實(shí)際對(duì)電路參數(shù)的更改，使電路的浪涌電流沖擊滿足板上電源要求。

一、問(wèn)題的提出

某通信產(chǎn)品電路測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)浪涌電流沖擊過(guò)大，可能會(huì)損壞保險(xiǎn)絲或MOS管等器件，而且有的即使沒(méi)有損壞也有可能會(huì)影響其使用壽命（圖1）。

根據(jù)某產(chǎn)品單板電路測(cè)試過(guò)程的浪涌電流沖擊問(wèn)題，詳細(xì)分析了MOS管緩啟動(dòng)電路的RC參數(shù)，通過(guò)分析和實(shí)際對(duì)電路參數(shù)的更改，使電路的浪涌電流沖擊滿足板上電源要求。

圖1改前測(cè)試沖擊電流

從上圖可以看出沖擊電流很大，達(dá)23.0A，遠(yuǎn)大于滿載工作電流（1A左右），板上電源設(shè)計(jì)指南要求是滿載工作電流的3～5倍，所以需要整改以達(dá)到板上電源要求，電路原理圖如圖2所示。

圖2原電路原理圖

二、解決思路

將原電路原理圖（圖2）等效為圖3。

圖3原理圖等效［注1］

注1：R270等效為R1，R271等效為R2，C136等效為C1，MOS管為VT1，全部負(fù)載等效為RL，全部電容等效為CL，D1在計(jì)算中用不到。

根據(jù)MOS管開(kāi)啟電壓和RDS的特性曲線（圖4）可知，控制了MOS管VGS電壓線性度就能精確控制沖擊電流。所以圖3中外接電容C1、R1和R2被用來(lái)作為積分器對(duì)MOS管的開(kāi)關(guān)特性進(jìn)行精確控制，達(dá)到控制上電沖擊電流的目的。

圖4本文原理圖中MOS管（Si4463DY）VGS（th）與電流ID和電阻RDS的關(guān)系

原電路就是利用這個(gè)原理進(jìn)行上電控制的，但是參數(shù)設(shè)置有問(wèn)題，所以才出現(xiàn)了圖1中的較大沖擊電流。

現(xiàn)將簡(jiǎn)化電路原理圖（圖3）VT1前面的上電控制電路等效為圖5進(jìn)行計(jì)算。

圖5簡(jiǎn)化VT1前面的上電控制電路

1、上電時(shí)間計(jì)算

1)時(shí)間參數(shù)τ。

由于圖5（a）中MOS管內(nèi)部電容Cgs<

2)計(jì)算電容上電時(shí)間。

根據(jù)圖5（b）得：

最后計(jì)算得出：

所以Uc的上電完成時(shí)間只與τ相關(guān)，但是上電的斜率將同時(shí)與R1/（R1＋R2）和τ相關(guān)，下面用兩個(gè)實(shí)驗(yàn)予以說(shuō)明。

2、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)（1）：更改時(shí)間參數(shù)τ（更改C1）控制VGS開(kāi)啟速度

圖6R1＝R2＝10Kohm，C1＝2.2uF時(shí)上電電流波形

根據(jù)計(jì)算τ＝（R1//R2）*C1＝11mS，從圖6可以看出上電時(shí)間變大了，為3.6mS，沖擊電源也由原來(lái)的23.0A變?yōu)楝F(xiàn)在的9.26A。說(shuō)明一定程度上控制了其上電時(shí)間和沖擊電流。

但是，τ變?yōu)樵瓉?lái)的22倍，電流沖擊時(shí)間變?yōu)樵瓉?lái)的15倍，沖擊電流只變?yōu)樵瓉?lái)的40％，不能完全夠達(dá)到精確控制的目的。

實(shí)驗(yàn)（2）：設(shè)置Uc電壓以達(dá)到控制上電時(shí)間的目的

根據(jù)MOS管開(kāi)啟電壓的特性曲線圖4，可以看出：1V～2.5V這段為MOS管開(kāi)啟的過(guò)程，精確控制這段電壓的上升過(guò)程（斜率）將可以有效控制上電沖擊電流的大小。

更改電阻R1＝2.7K，R2＝10K和C1＝0.1uF不變時(shí)上電電流波形如圖7所示。

圖7R1＝2.7K，R2＝10Kohm，C1＝0.1uF時(shí)上電電流波形

（紅色曲線為上電電流波形，黃色為Uc兩端電壓波形）

根據(jù)計(jì)算τ＝（R1//R2）*C1＝0.2mS，變小了，但是從圖7可以看出上電時(shí)間卻變大了，為425uS，沖擊電源也由原來(lái)的23.0A變?yōu)楝F(xiàn)在的8.35A。

對(duì)比兩個(gè)實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)：改變R1，τ變小了，但電流上電時(shí)間卻變大了，而且電流沖擊時(shí)間在只變大1.8倍的情況下，沖擊電流的幅度卻變?yōu)樵瓉?lái)的36％；而改變?chǔ)樱锤淖僀1），在電流沖擊上升時(shí)間變?yōu)樵瓉?lái)的15倍時(shí)，電流幅度才變?yōu)樵瓉?lái)的40％，所以改變R1對(duì)MOS管VGS的精確控制效果明顯。

3、原因分析

電容歸一化上電波形如圖8所示：

圖8歸一化電容上電波形

從圖8可以看出：原電路中Uc兩端最終電壓在1τ（圖8中紅色曲線部分）內(nèi)將從0V上升到Uc*0.632=3.8V，而從3.8V上升到6V需要至少4τ（1τ～5τ）。而電路中MOS管開(kāi)啟電壓是1V～2.5V，這段電壓在小于0.5τ時(shí)間內(nèi)就完成了，所以可以得出其上電時(shí)間（1~2.5V的時(shí)間）應(yīng)小于0.5τ，即小于250uS，根據(jù)圖1可以看出，沖擊電流的時(shí)間約為240uS左右，與計(jì)算基本吻合。

實(shí)驗(yàn)（1）電路中Uc最終兩端電壓與原電路相同為6V，不過(guò)τ變?yōu)樵瓉?lái)的22倍為11mS，MOS管開(kāi)啟電壓在1V～2.5V段上升時(shí)間也應(yīng)該小于0.5τ，實(shí)測(cè)試為3.6mS，小于0.5τ（5.5mS）也基本與理論計(jì)算吻合

實(shí)驗(yàn)（2）電路中Uc最終兩端約為2.5V。開(kāi)啟電壓的時(shí)間段處于了約1τ～3τ之間后，雖然τ變小了，但電流上電沖擊時(shí)間，實(shí)測(cè)試為1.8倍［注2］，基本與理論吻合。

（注2：原電路用約0.5τ完成電流沖擊，實(shí)驗(yàn)二電路用約2τ，原電路τ＝500uS，而實(shí)驗(yàn)二τ（R1=2.5K）＝200uS，基本上實(shí)驗(yàn)二的2τ（R1=2.5K）為原電路0.5τ的2倍，所以實(shí)測(cè)1.8倍基本與理論符合。）

經(jīng)過(guò)上面的討論，可以看出：對(duì)MOS管的控制有兩種方法：

（1）設(shè)置Uc兩端最終電壓，控制VGS電壓上升的斜率。

（2）更改時(shí)間參數(shù)τ控制VGS開(kāi)啟速度（也在一定程度上控制斜率）。

當(dāng)然可以結(jié)合兩種方法，同時(shí)進(jìn)行控制，以達(dá)到控制沖擊電流的目的。

三、實(shí)踐情況

結(jié)合到上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)及分析，用兩種方法控制，將參數(shù)更改為R1＝27K，R2＝100K，C1＝2.2uF，測(cè)試上電沖擊電流波形如圖9所示。

圖9R1＝27K，R2＝100K，C1＝2.2uF，測(cè)試上電沖擊電流波形

（紅色為沖擊電流波形，黃色為負(fù)載電壓波形）

最大沖擊電流為4.03A，基本滿足板上電源設(shè)計(jì)要求（沖擊電流為3～5A）。不過(guò)電流上電時(shí)間變?yōu)?5.5mS，如需要再次降低沖擊電流，可以繼續(xù)加大電容。比如圖10。

當(dāng)電容增加到10uF時(shí)（R1＝27K，R2＝100K）時(shí)的電流上電波形。

圖10R1＝27K，R2＝100K，C1＝10uF，測(cè)試上電沖擊電流波形

圖10中電流上電波形變?yōu)?0mS。從上面的介紹可以看出“通過(guò)設(shè)置Uc兩端最終電壓”和“更改時(shí)間參數(shù)τ控制VGS開(kāi)啟速度”基本上達(dá)到了控制上電沖擊電流的目的，至于如何選擇合適的參數(shù)，需要根據(jù)具體情況進(jìn)行分析。

四、效果評(píng)價(jià)

可以用示波器對(duì)I2T進(jìn)行的計(jì)算，（標(biāo)稱2A適配器測(cè)試）如圖15、16、17所示。

圖11 原電路R1＝R2=10K，C1＝0.1uF時(shí)沖擊電流I2T計(jì)算

圖15可以認(rèn)為是原電路中MOS管基本沒(méi)有控制，上電瞬間適配器作為恒壓源產(chǎn)生了“沖擊”，經(jīng)過(guò)示波器精確計(jì)算，在“沖擊”脈沖結(jié)束時(shí)（第一個(gè)光標(biāo)處）值為0.249 A2S，在正常工作前（第二個(gè)光標(biāo)處值為0.522 A2S）。

圖12 更改電路參數(shù)R1＝27K，R2=100K，C1＝2.2uF時(shí)沖擊電流I2T計(jì)算

更改電路參數(shù)后，MOS管有一定的控制作作，但是還是產(chǎn)生了一個(gè)“臺(tái)階”（第一光標(biāo)與第二光標(biāo)之間）經(jīng)過(guò)示波精確計(jì)算，在脈沖結(jié)束時(shí)（第一個(gè)光標(biāo)處）值為0.239 A2S，在正常工作前（第二個(gè)光標(biāo)處值為0.344 A2S）。

圖13 R1＝27K，R2＝100K，C1＝10uF，測(cè)試上電沖擊電流波形

由于對(duì)MOS管的上電控制已經(jīng)接近或小于了適配器的電流提供能力，所以基本已經(jīng)沒(méi)了“沖擊”電流（可以認(rèn)為完全是MOS管控制下的電流），經(jīng)過(guò)計(jì)算，在正常工作前的I2T值為0.216 A2S（第二個(gè)光標(biāo)處）。

注意：τ也不能過(guò)大，過(guò)大時(shí)引起上電波形過(guò)緩，導(dǎo)致板內(nèi)器件上電時(shí)序問(wèn)題，同時(shí)過(guò)于緩慢的上電波形可能還會(huì)“損傷”或引起MOS管燒毀。

通過(guò)以上三個(gè)圖對(duì)比：MOS管的控制能力越強(qiáng)，“沖擊”電流越小，I2T值也越小，對(duì)保險(xiǎn)絲等器件的“損傷”也越小。

五、總結(jié)

通過(guò)以上的分析和實(shí)際測(cè)試基本上達(dá)到了控制VGS電壓上升的斜率的目的，有效降低了脈沖“沖擊”電流對(duì)保險(xiǎn)絲管的影響。所以可以結(jié)合如下兩種方法，同時(shí)進(jìn)行控制，以達(dá)到控制沖擊電流的目的。

1、設(shè)置Uc兩端最終電壓，控制VGS電壓上升的斜率。

2、更改時(shí)間參數(shù)τ控制VGS開(kāi)啟速度（也在一定程度上控制斜率）。

在電路設(shè)計(jì)中有幾點(diǎn)需要特別關(guān)注。

1、Uc兩端的最終電壓一定要保證VGS完全開(kāi)啟和該電壓下MOS管體電阻基本達(dá)到最小。

2、τ也不能過(guò)大，過(guò)大時(shí)引起上電波形過(guò)緩，導(dǎo)致板內(nèi)器件上電時(shí)序問(wèn)題，同時(shí)過(guò)于緩慢的上電波形可能還會(huì)“損傷”或引起MOS管燒毀。

上電時(shí)間的選擇可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行，建議只要滿足板上電源設(shè)計(jì)要求的3～5倍“沖擊”電流即可。

鑒于緩啟動(dòng)電路具有的優(yōu)點(diǎn)，我們?cè)谄骷x型和電路設(shè)計(jì)中可以加以利用，來(lái)提高產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。