MOS管电源开关电路的缓启动功能是怎么实现的

news2024/12/27 14:24:12

先看一个电路:

其主要设计思路是使用MOS管来做一个开关,控制电源输出;

 

为什么选用MOS管?

这就涉及到MOS管的两个重要特性:

1.MOS管的导通电流大;

2.MOS管导通时内阻小,内部功耗低;

那MOS管还分为NMOS和PMOS两大类,应该使用哪一类MOS呢?

NMOS适合传输低电平,即接近GND的信号;

PMOS适合传输高电平,及接近VCC的信号;

由此可知,此处计划控制传输VCC信号,所以选择PMOS.

那么R118和C72是用来做什么的?没有是否可以?

  1. 缓启动的

缓启动,英文名Soft start,是指电源缓慢开启,即在电源开关开启时,输出电压缓慢地从0V到达目标电压,其主要功能是限制电源启动时产生的浪涌电流。开关开启瞬间产生的浪涌电流会对后级电源流经的电路产生影响,当浪涌过大时,甚至会损坏电路上的元器件。

那为什么电源启动快,会导致浪涌电流大?

电源上电过快,会导致后级的负载上瞬间降很大的电压,此时就会从电源部分抽取负载所需的电流,当后级感性和容性负载较多较大时,电源快速开启的瞬间,所有的储能器件均从电源部分抽取电流进行充电,此时的电流会非常大。

那为什么缓启动会降低浪涌电流?

以常见的容性负载为例,从公式上看:

Q=C*U;Q=I*t;

得到:I=C*U/t

此时,从得到的容性负载所需电流与充电时间时间、两端压降电压的关系式中可知,当容性负载C一定时,电流正比于电压,当U越大时,此时需要的I越大,而t取决于电源开启的时间,当电源开启的越快,t越小,并同步增加了I的大小。由此可知,在大的电压和短的时间的同时作用下,浪涌电流会集聚增加。所以有效的降低t,会一定程度上抑制浪涌电流的产生。

  1. 电路说明

那么这个电路是如何通过一个电容和一个电阻实现缓启动?

1.当Q13的1脚为低电平时,此时三极管不导通,对Q12的Vgs=0V,此时MOS管也不导通;

 

2. 当Q13的1脚为高电平时,此时三极管导通,电容C72通过R118进行充电,此时Vgs电压缓慢降低,直到完全打开,Q12的Vgs约为-5.3V,此时MOS管完全导通。利用了C72和R118实现了Q12的缓慢开启,实现了电源的缓启动。

3. 当Q13的1脚从高电平变为低电平时,此时三极管关断,电容C72通过R118进行放电,此时Vgs电压缓慢增大,直至Vgs=0V,此时MOS完全关断。由于电容的存在,导致关断时也存在缓关断的现象,但是在正常电路设计中,缓关断对系统是不利的,可能由于电源关断过慢,导致系统异常,所以在设计时这个是需要避免的。

综合上述内容可知缓开启是对系统有利的,但缓开启带来的缓关断不利于系统稳定,所以在调试缓启动参数时,要权衡利弊。

  1. MOS管是如何开启的

 

虽然MOS是常用器件,但本人在日常工作中,对其导通过程并没有完全理解,此处把MOS导通的过程进行解读。

1.MOS的D和S极加电压为Vdd,当控制开关的电压加到G和S极时,输入电容Ciss进行充电,G和S极电压Vgs线性上升并达到门槛电压Vgs(th),Vgs上升到Vgs(th)之前漏极电流Id=0A,没有漏极电流,此时Vds保持Vdd不变;

2.当Vgs上升到Vgs(th),漏极开始流过电流Id,然后Vgs继续上升,Id也逐渐上升,但此时Vds仍保持Vdd不变。当Vgs到达米勒平台电压Vgs(pl)时,Id也上升到负载电流最大ID,Vds电压开始从Vdd下降到米勒平台电压,此时Id保持ID,Vds不断下降;

3.米勒平台结束时,Id仍维持ID,Vds电压降到一个较低的值,此时降低的斜率很小,及下降速度远小于之前,最终会稳定在Vds=Id*Rds(on)。由于这一时期电压变化不大,所以一般认为米勒平台结束后,MOS就基本完全导通。

看完这个详细的导通过程,本人最大的问题在于为什么在米勒平台内,Vgs的电压恒定?

想要理解上述的内容,还是要回归本质,研究一下MOS管漏极导通的特性;

MOS管整个的工作范围内存在三个区域:截止区、恒流区和可变电阻区,整个MOS导通过程见上图红色箭头的顺序A-B-C-D进行。

1.导通前,MOS的起始工作点在A点,及此时Vgs=0V,处于截止区内。

2.A-B就是,Vgs从Vgs(th)增加到Vgs(pl)的过程,

 3.B-C阶段就是所谓的米勒平台期,此时的栅极驱动电流全部都在给米勒电容Cgd进行充电,所以此时栅极电压基本保持不变,在曲线中呈现一端平台期,及米勒平台期。

4.C-D阶段MOS工作在可变电阻区,此时驱动电流同时给Cgs和Cgd充电,栅极电压开始上升,MOS的导电沟道也开始变宽,导通的压降进一步降低,当Vgs达到一定电压时,MOS管进入完全导通状态。

Cgs:MOS栅极和源极之间的寄生电容;

Cgd:MOS栅极和漏极之间的寄生电容;

Cds:MOS漏极和源极之间的寄生电容;

MOS的等效电路如下:

常见MOS管规格书内提供的参数如下:

 其换算关系如下:

Ciss=Cgd+Cgs;

Coss= Cgd+Cds;

Crss= Cgd

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