MOS管電源開關電路軟啟動的原理。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,已經大批量使用:
電源開關電路,經常用在各“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電路,是用MOS管實現的,且帶軟開啟功能,非常經典。既然帶“軟”開啟功能,不妨把這個電路理解為一個“軟”妹紙,讓咱們深入去了解她吧!
一、電路說明電源開關電路,尤其是MOS管電源開關電路,經常用在各“功能模塊”電路的電源通斷控制,如下框圖所示:
▲ 框圖中“1個MOS管符號”代表“1個完整的MOS管電源開關電路”在設計時,只要增加一個電容(C1),一個電阻(R2),就可以實現軟開啟(soft start)功能。
軟開啟,是指電源緩慢開啟,以限制電源啟動時的浪涌電流。在沒有做軟開啟時,電源電壓的上升會比較陡峭。
加入軟開啟功能后,電源開關會慢慢打開,電源電壓也就會慢慢上升,上升沿會比較平緩。
浪涌電流可能會令電源系統突然不堪重負而掉電,導致系統不穩定。嚴重的可能會損壞電路上的元器件。
電源上電過快過急,負載瞬間加電,會突然索取非常大的電流。比如在電源電壓是5V,負載是個大容量電容的時候,電源瞬間開啟令電壓瞬間上升達到5V,電容充電電流會非常大。如果同樣的時間內電源電壓只上升到2.5V,那么電流就小得多了。
下面從數學上分析一下。電量 = 電容容量 * 電容兩端的電壓,即:Q = C * U同時 電量 = 電流 * 時間,即:Q = I * t所以電流:I = (CU) / t從公式可以看出,當電容容量越大,電壓越高,時間越短,電流就會越大,從而形成浪涌電流。大電容只是形成浪涌電流的原因之一,其他負載也會引起浪涌電流。
二、原理分析1、控制電源開關的輸入信號 Control 為低電平或高阻時,三極管Q2的基極被拉低到地,為低電平,Q2不導通,進而MOS管Q1的Vgs = 0,MOS管Q1不導通,+5V_OUT 無輸出。電阻R4是為了在 Control 為高阻時,將三極管Q2的基極固定在低電平,不讓其浮空。
2、當電源 +5V_IN 剛上電時,要求控制電源開關的輸入信號 Control 為低電平或高阻,即關閉三極管Q2,從而關閉MOS管Q1。因 +5V_IN 還不穩定,不能將電源打開向后級電路輸出。此時等效電路圖如下:
此時電源 +5V_IN 剛上電,使MOS管G極與S極等電勢,即Vgs = 0,令Q1關閉。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、此時將 Control 設為高電平(假設高電平為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 = 0.26mA②三級管Q2飽和導通,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的充電時間實現了MOS管Q1的緩慢打開(導通),實現了軟開啟的功能。
5、電源打開后,+5V_OUT 輸出為5V電壓。此時將 Control 設為低電平,三極管Q2關閉,電容C1與G極相連端通過電阻R2放電,電壓逐漸上升到5V,起到軟關閉的效果。軟關閉一般不是我們想要的,過慢地關閉電源,可能出現系統不穩定等異常。過慢地開啟和關閉電源都可能導致電路系統異常,這個MOS管電源開關電路及其參數已經過大批量使用驗證,一般情況下可以直接照搬使用。
三、電路參數設定說明調整C1、R2的值,可以修改軟啟動的時間。值增大,則時間變長。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。使用原理圖中所標型號的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,應用時要注意做好實驗驗證。
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