电源开关电路常用于各种功能模块电路的电源开关控制,是常用电路之一。本文解释了电源开关电路MOS采用软开启功能实现管道。
电路说明
特别是电源开关电路MOS各功能模块电路中常用的管电源开关电路,如下框图所示。
图中一个MOS管符号代表完成电路
只需在设计中添加一个电容(C一、一个电阻(R2)软开启可以实现(soft start)功能。
C1、R实现软开关功能
软开启是指电源缓慢开启,以限制电源启动时的浪涌电流。未软开启时,电源电压升高会陡峭,见下图:
没有软开启,电压上升陡峭
添加软开启功能后,电源开关将慢慢打开,电源电压将慢慢上升,上升沿将相对温和,见下图:
加入软开启,电压上升相对平稳
浪涌电流可能会使电源系统突然失去负荷,导致系统不稳定,严重损坏电路上的部件。
浪涌导致不稳定,甚至损坏电路
电源上电太快太快,负载瞬间加电,会突然索取很大的电流。例如,电源电压为5V,负载是大容量电容时,电源瞬间打开,电压瞬间上升5V,电容充电电流会很大。如果同时电源电压只上升到2.5V,所以电流要小得多,下面从数学分析。
电量 = 电容容量 * 电容器两端的电压,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,电容越大,电压越高,时间越短,电流越大,形成浪涌电流。
大电容器只是浪涌电流的原因之一,其它负载也会导致浪涌电流。
原理分析
1.控制电源开关的输入信号 Control 三极管低电平或高电阻时Q2的基极被拉低到地面,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R4是为了在 Control 三极管为高阻时Q2极固定在低电平,不允许浮动。
2、当电源 5V_IN 刚上电时,需要控制电源开关的输入信号 Control 关闭低电平或高电阻的三极管Q2,从而关闭MOS管Q1。因 5V_IN 不稳定,不能打开电源输出到后电路。等效电路图如下。
此时电源 5V_IN 刚上电,使MOS管G极和S极等电势Vgs = 0,令Q1关闭。
3、电源 5V_IN 上电完成后,MOSG极和S极两端均为5V,仍然Vgs = 0。
4、此时将 Control 假设高电平为3.3V),则:
①三极管Q2的基极为0.7V,计算基极电流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.G极相连端的电压由5V缓慢下降到0V,导致Vgs电压逐渐升高。
③MOS管Q1的Vgs慢慢增加,慢慢打开,直到完全打开。Vgs = -5V。
④利用电容C实现了1的充电时间MOS管Q慢慢打开(导通),实现软开功能。
MOS如下图所示:
5.电源打开后, 5V_OUT 输出为5V电压。此时将 Control 三极管设为低电平Q2关闭,电容C通过电阻与G极相连端R2.电压逐渐升至5V,发挥软关闭的作用。软关闭通常不是我们想要的,关闭电源太慢,系统可能不稳定和其他异常。过程如下图所示:
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。
电路参数设置说明
调整C1、R软启动时间可以修改2的值。如果值增加,时间会变长。反之亦然。