现在大多数电子系统都要支持热插拔功能,所谓热插拔,也就是在系统正常工作时,带电对系统的某个单元进行插拔操作,且不对系统产生任何影响。

   

热插拔对系统的影响主要有两方面:

其一,热插拔时,连接器的机械触点在接触瞬间会出现弹跳,引起电源振荡,如下图所示:

 

 

这个振荡过程会引起系统电源跌落,引起误码,或系统重启,也可能会引起连接器打火,引发火灾。
   

解决的办法就是延迟连接器的通电时间,在连接器抖动的那十几毫秒内((t1 至 t2)不给连接器通电,等插入稳定后(t2 后)再通电,即防抖动延时。

   

其二,热插拔时,由于系统大容量储能电容的充电效应,系统中会出现很大的冲击电流,大家都知道,电容在充电时,电流呈指数趋势下降(左下图),所以在刚开始充电的时候,其冲击电流是非常大的。

 


此冲击电流可能会烧毁设备电源保险管,所以在热插拔时必须对冲击电流进行控制,使其按理想的趋势变化,如右上图所示,图中 0~t1 为电源缓启动时间。

 

综上所述,缓启动电路主要的作用是实现两项功能:

 

1). 防抖动延时上电;
2). 控制输入电流的上升斜率和幅值。

   

缓启动电路有两种类型:电压斜率型和电流斜率型。

电压斜率型缓启动电路结构简单,但是其输出电流的变化受负载阻抗的影响较大,而电流斜率型缓启动电路的输出电流变化不受负载影响,但是电路结构复杂。

 

下面重点介绍电压型缓启动电路。

 

设计中通常使用 MOS 管来设计缓启动电路的。MOS 管有导通阻抗 Rds 低和驱动简单的特点,在周围加上少量元器件就可以构成缓慢启动电路。通常情况下,在正电源中用 PMOS,在负电源中使用 NMOS。

       

下图是用 NMOS 搭建的一个 -48V 电源缓启动电路,我们来分析下缓启动电路的工作原理。

 

 

1).D1 是嵌位二极管,防止输入电压过大损坏后级电路;


2).R2 和 C1 的作用是实现防抖动延时功能,实际应用中 R2 一般选 20K 欧姆,C1 选 4.7uF 左右;
      

3).R1 的作用是给 C1 提供一个快速放电通道,要求 R1 的分压值大于 D3 的稳压值,实际应用中,R1 一般选 10K 左右;
      

4).R3 和 C2 用来控制上电电流的上升斜率,实际应用中,R3 一般选 200K 欧姆左右,C2 取值为 10 nF~100nF;
      

5).R4 和 R5 的作用是防止 MOS 管自激振荡,要求 R4、R5lt;<R3,R4 取值一般为 10~50 欧姆之间,R5 一般为 2K 欧姆;
  

6). 嵌位二极管 D3 的作用是保护 MOS 管 Q1 的栅 - 源极不被高压击穿;D2 的作用是在 MOS 管导通后对 R2、C1 构成的防抖动延时电路和 R3、C2 构成的上电斜率控制电路进行隔离,防止 MOS 栅极充电过程受 C1 的影响。

 

下面来分析下该电路的缓启动原理:

假设 MOS 管 Q1 的栅 - 源极间的寄生电容为 Cgs,栅 - 漏极间的寄生电容为 Cgd,漏 - 源极间的寄生电容为 Cds,栅 - 漏极外部并联了电容 C2 (C2gt;>Cgd),所以栅 - 漏极的总电容 C’gd=C2+ Cgd,由于相对于 C2 来说,Cgd 的容值几乎可忽略不计,所以 C’gd≈C2,MOS 管栅极的开启电压为 Vth,正常工作时,MOS 管栅源电压为 Vw(此电压等于稳压管 D3 的嵌位电压),电容 C1 充电的时间常数 t=(R1//R2//R3)C1,由于 R3 通常比 R1、R2 大很多,所以 t≈(R1//R2)C1。

   

下面分三个阶段来分析上述电压缓启动电路的工作原理:


第一阶段:-48V 电源对 C1 充电,充电公式如下。
Uc=48*R1/(R1+R2)[1-exp(-T/t)],其中 T 是电容 C1 电压上升到 Uc 的时间,时间常数 t=(R1//R2)C1。所以,从上电到 MOS 管开启所需要的时间为:Tth=-t*ln[1-(Uc*(R1+R2)/(48*R1))]


第二阶段:MOS 管开启后,漏极电流开始增大,其变化速度跟 MOS 管的跨导和栅源电压变化率成正比,具体关系为:dIdrain/dt = gfm *dVgs/dt,其中 gfm 为 MOS 管的跨导,是一个固定值,Idrain 为漏极电流,Vgs 为 MOS 管的栅源电压,此期间体现为栅源电压对漏源电流的恒定控制,MOS 管被归纳为压控型器件也是由此而来的。

 

第三阶段:当漏源电流 Idrain 达到最大负载电流时,漏源电压也达到饱和,同时,栅源电压进入平台期,设电压幅度为 Vplt。由于这段时间内漏源电流 Ids 保持恒定,栅源电压 Vplt=Vth+(Ids/gfm),同时,由于固定的栅源电压使栅极电流全部通过反馈电容 C’gd,则栅极电流为 Ig=(Vw-Vplt)/(R3+R5),由于 R5 相对于 R3 可以忽略不计,所以 Ig≈(Vw-Vplt)/R3。因为栅极电流 Ig≈Icgd,所以,Icgd=Cgd*dVgd/dt。由于栅源电压在这段时间内保持恒定,所以栅源电压和漏源电压的变化率相等。故有:dVds/dt=dVgd/dt=(Vw-Vplt)/(R3*C2)。

 

由此公式可以得知,漏源电压变化斜率与 R3*C2 的值有关,对于负载恒定的系统,只要控制住 R3*C2 的值,就能控制住热插拔冲击电流的上升斜率。
   

缓启动阶段,栅源电压 Vgs,漏源电压 Vds 和漏源电流 Ids 的变化示意图如下所示。

 

 

在 0~t1 阶段,肖特基二极管 D2 尚未开启,所以 Vgs 等于 0,在这段时间内,-48V 电源通过 R3、R5 对 C2 充电,等 C2 的电压升高到 D2 的开启电压,MOS 管的栅极电压开始升高,等栅源电压升高到 MOS 管的开启电压 Vth 时,MOS 管导通,漏源电流 Ids 开始增大,等 MOS 管的栅源电压升高到平台电压 Vplt 时,漏源电流 Ids 也达到最大,此时,漏源电压 Vds 进入饱和,开始下降,平台电压 Vplt 结束时,MOS 管完全导通,漏源电压降到最低,MOS 管的导通电阻 Rds 最小。