缓启动电路的工作原理

【摘要】

通信产品一般采用分散供电方式，各单板上采用DC/DC模块将-48V电源转换为其所需的5V、3.3V、2.5V等子电源。由于输入电压高，电源电路中又存在用于滤波和防止DIP的大电容，在单板插入上电时，会对-48V电源造成冲击，瞬时大电流将造成-48V电源电压出现跌落，可能影响到其它单板的正常工作；同时，由于瞬时大电流的原因，单板插入时在接插件上会产生明显的打火现象，这会引起电磁干扰，并对接插件造成腐蚀。为了避免上述现象，-48V电源供电单板需要“缓慢”上电。
一、缓启动电路的作用       通信设备产品单板上几乎都在电源模块的输入端设计有缓启动电路，缓启动电路的功能主要有两个：      1、延迟单板电源的上电时间：我们的单板一般都要求支持热拔插，当单板插入子架时，单板插头和母板插针的接触是不稳定的，为了避免这种抖动的影响，可以在电源模块和母板电源之间加一个电路，使母板的电源延迟一段时间以后再加到电源模块。      2、减小上电的冲击电流：由于单板电源都接有滤波电容，电源上电瞬间跳变时由于电容的充电，会产生较大的冲击电流，造成母板电源电压抖动，跌落，以及强烈的电磁辐射，很容易对其他工作中的单板造成不良影响，如果能把电源的上电速度变缓一些，就能有效的减小这种影响。     二、缓启动电路的工作原理     电路的原理图：

缓启动电路由R39，R49，C7和Q31组成，Q31是绝缘栅型场效应管，也是缓启动电路最关键的器件。为了理解缓启动的原理，首先我们来回顾一下MOS管的一点基础知识。下图大致描述了典型的MOS管的转移特性：

      MOS管的特性表明，当Vgs小于一定电压（Vth）时，DS极之间的电阻Rds是很大的，可以认为开路，电流不能通过；当Vgs达到Vth时，MOS管开始导通，Rds随Vgs的增加迅速减小。当Vgs达到一定的程度，Rds很小，可以认为DS之间是近似短路的。Vth可以称之为开启电压（Voltage－Gate threshold），一般为2－4V。      在的缓启动电路中，电阻R39，R49和C7构成了分压式RC时间常数电路，C7并联在Q31的GS极之间，也就是Vc7＝Vgs。当48V电源刚加到单板时，C7未充电，Vgs＝0，MOS不导通，电源模块不供电。随后，48V通过R39，R49向C7充电，当C7的电压达到Vth时，MOS开始导通，这一阶段，完成的是延时上电的作用，延迟时间可由下式估算：
Uin(R39/(R39 R49))(1－e-T/ )=Vth其中，T为延迟时间， Uin＝48V，为RC电路的时间常数，＝C7（R39//R49），Vth一般取4V。将原理图中数值代入计算可知，延迟时间T约等于15.3ms。      MOS管开始导通后，Vgs继续增加（直到12V左右），Rds迅速减小，缓启动的输出电压逐渐升高直到到与输入电压基本一致。电源模块开始工作，单板正式上电。在这一过程中，输出电压并不是瞬间跳变到最高的，因此，大大减轻了冲击电流的干扰。这一过程的时间与C7的充电速度，MOS的特性，负载特性都有关系，难以具体计算，具体还需实测调整。
三、实测波形分析      下图是缓启动的输入电压上电波形

      这是缓启动输入端在电源开关闭合瞬间的波形，可以看到画圆圈处的抖动，持续时间约1ms，如果是热拔插，这个抖动的幅度和持续时间都将可能更大。      下图是缓启动的C7电压上升波形

      可以看到，上电15ms后，C7电源上升到约4V，与理论计算值基本一致。      下图是缓启动MOS管的D，S间电压波形。

      可以看到，在开关闭合后的14ms以内，输入电压完全加在MOS的DS两端，这与理论计算值基本一致（由于MOS管的Vth并不一定是4V，有些误差是很正常的），从14ms开始，Vds以指数方式下降，过程时间约4ms。      下图是缓启动输出的电压波形。

      可以看到，对比缓启动的输入电压上电波形，缓启动的输出电压不再有开关闭合时的抖动，而且上电边沿也非常明显，过程约4ms，实现了减小上电冲击的目的。      让我们再把所有的波形放在同一时间轴上来比较一下，如下：

      可以看到，经过缓启动电路之后，单板实际供电电压Uout比输入电压Uin总共延时了将近20ms，不但消除了上电抖动，而且有效减小了冲击。
四、总结      1、缓启动的时间常数电路必须确保电容充电完成后其电压不能大于15V，因为一般大功率MOS管的G，S间击穿电压在20V左右，电压过高，会损坏MOS管（现在很多单板上在电容两端并联了一个稳压管就是起这个作用的），但是也不应该低于10V，因为一般大功率MOS管的D，S间电阻Rds都需要Vgs达到10V后才达到最小值（一般在0.1ohm量级）。      2、缓启动的延迟时间不能太长，原因有二。其一，延迟太长，热拔插时，单板接口信号线已连接，而电源仍未上电，会造成接口器件闩锁损坏；其二，缓启动关键器件MOS管在从截止到导通转换的过程中瞬间功耗是非常大的，如果电容充电过于缓慢，造成边沿时间太长，MOS管将因为功耗过大而损坏。延时一般取几十毫秒。