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[经验] 带软开启功能的MOS管电源开关电路

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    [LV.1]初来乍到

    发表于 2020-2-13 10:02:45 |显示全部楼层
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    电源开关电路,经常用在各“功能模块”电路的电源通断控制,是常用电路之一。本文要讲解的电源开关电路,是用MOS管实现的,且带软开启功能。既然带“软”开启功能,不妨把这个电路理解为一个“软”妹纸,让咱们深入去了解她吧!

    带软开启功能的MOS管电源开关电路
    一、电路说明:

           电源开关电路,尤其是MOS管电源开关电路,经常用在各“功能模块”电路的电源通断控制,如下框图所示。

    【图1:框图中1个MOS管符号代表1个完整的MOS管电源开关电路】

    在设计时,只要增加一个电容(C1),一个电阻(R2),就可以实现软开启(soft start)功能。

    【图2:电容C1、电阻R2实现软开启(soft start)功能】

    软开启,是指电源缓慢开启,以限制电源启动时的浪涌电流。
    在没有做软开启时,电源电压的上升会比较陡峭,见图3。

    【图3:没有做软开启时,电源电压上升沿比较陡峭】

    加入软开启功能后,电源开关会慢慢打开,电源电压也就会慢慢上升,上升沿会比较平缓,见图4。

    【图4:加入软开启功能,电源电压上升沿比较平缓】

           浪涌电流可能会令电源系统突然不堪重负而掉电,导致系统不稳定。严重的可能会损坏电路上的元器件。带软开启功能的MOS管电源开关电路

    【图5:浪涌电流时常导致系统不稳定,并可能损坏电路元器件】

           电源上电过快过急,负载瞬间加电,会突然索取非常大的电流。比如在电源电压是5V,负载是个大容量电容的时候,电源瞬间开启令电压瞬间上升达到5V,电容充电电流会非常大。如果同样的时间内电源电压只上升到2.5V,那么电流就小得多了。下面从数学上分析一下。

    电量 = 电容容量 * 电容两端的电压,即:

    Q = C * U

    同时 电量 = 电流 * 时间,即:

    Q = I * t

    所以电流:

    I = (CU) / t

    从公式可以看出,当电容容量越大,电压越高,时间越短,电流就会越大,从而形成浪涌电流。

    大电容只是形成浪涌电流的原因之一,其他负载也会引起浪涌电流。

    二、原理分析:

    1、控制电源开关的输入信号 Control 为低电平或高阻时,三极管Q2的基极被拉低到地,为低电平,Q2不导通,进而MOS管Q1的Vgs = 0,MOS管Q1不导通,+5V_OUT 无输出。电阻R4是为了在 Control 为高阻时,将三极管Q2的基极固定在低电平,不让其浮空。带软开启功能的MOS管电源开关电路

    2、当电源 +5V_IN 刚上电时,要求控制电源开关的输入信号 Control 为低电平或高阻,即关闭三极管Q2,从而关闭MOS管Q1。因 +5V_IN 还不稳定,不能将电源打开向后级电路输出。此时等效电路图如下。

    此时电源 +5V_IN 刚上电,使MOS管G极与S极等电势,即Vgs = 0,令Q1关闭。

    3、电源 +5V_IN 上电完成后,MOS管G极与S极两端均为5V,仍然Vgs = 0。

    4、此时将 Control 设为高电平(假设高电平为3.3V),则:

    ①三极管Q2的基极为0.7V,可算出基极电流Ibe为:

    (3.3V - 0.7V) / 基极电阻R3 = 0.26mA

    ②三级管Q2饱和导通,Vce ≈ 0。电容C1通过电阻R2充电,即C1与G极相连端的电压由5V缓慢下降到0V,导致Vgs电压逐渐增大。

    ③MOS管Q1的Vgs缓慢增大,令其缓慢打开直至完全打开。最终Vgs = -5V。

    ④利用电容C1的充电时间实现了MOS管Q1的缓慢打开(导通),实现了软开启的功能。

    MOS管打开时的电流流向如下图所示:

    5、电源打开后,+5V_OUT 输出为5V电压。此时将 Control 设为低电平,三极管Q2关闭,电容C1与G极相连端通过电阻R2放电,电压逐渐上升到5V,起到软关闭的效果。软关闭一般不是我们想要的,过慢地关闭电源,可能出现系统不稳定等异常。过程如下图。

           一般情况下还是放心使用软启动功能,伴随而来的软关闭效果一般没什么影响。

    三、电路参数设定说明:

           调整C1、R2的值,可以修改软启动的时间。值增大,则时间变长。反之亦然。

    最后:啰里啰嗦讲软启动,绕得头都晕了,放松一下眼睛吧,软妹纸鼓励大家继续加油哦~


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