緩啟動(dòng)電路的工作原理
2023/2/13 14:58:20??????點(diǎn)擊：
通信產(chǎn)品一般采用分散供電方式，各單板上采用DC/DC模塊將-48V電源轉(zhuǎn)換為其所需的5V、3.3V、2.5V等子電源。由于輸入電壓高，電源電路中又存在用于濾波和防止DIP的大電容，在單板插入上電時(shí)，會(huì)對(duì)-48V電源造成沖擊，瞬時(shí)大電流將造成-48V電源電壓出現(xiàn)跌落，可能影響到其它單板的正常工作；同時(shí)，由于瞬時(shí)大電流的原因，單板插入時(shí)在接插件上會(huì)產(chǎn)生明顯的打火現(xiàn)象，這會(huì)引起電磁干擾，并對(duì)接插件造成腐蝕。為了避免上述現(xiàn)象，-48V電源供電單板需要“緩慢”上電。
一、緩啟動(dòng)電路的作用
通信設(shè)備產(chǎn)品單板上幾乎都在電源模塊的輸入端設(shè)計(jì)有緩啟動(dòng)電路，緩啟動(dòng)電路的功能主要有兩個(gè)：
1、延遲單板電源的上電時(shí)間：我們的單板一般都要求支持熱拔插，當(dāng)單板插入子架時(shí)，單板插頭和母板插針的接觸是不穩(wěn)定的，為了避免這種抖動(dòng)的影響，可以在電源模塊和母板電源之間加一個(gè)電路，使母板的電源延遲一段時(shí)間以后再加到電源模塊。
2、減小上電的沖擊電流：由于單板電源都接有濾波電容，電源上電瞬間跳變時(shí)由于電容的充電，會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊電流，造成母板電源電壓抖動(dòng)，跌落，以及強(qiáng)烈的電磁輻射，很容易對(duì)其他工作中的單板造成不良影響，如果能把電源的上電速度變緩一些，就能有效的減小這種影響。
二、緩啟動(dòng)電路的工作原理
電路的原理圖：
緩啟動(dòng)電路由R39，R49，C7和Q31組成，Q31是絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管，也是緩啟動(dòng)電路最關(guān)鍵的器件。為了理解緩啟動(dòng)的原理，首先我們來(lái)回顧一下MOS管的一點(diǎn)基礎(chǔ)知識(shí)。下圖大致描述了典型的MOS管的轉(zhuǎn)移特性：
MOS管的特性表明，當(dāng)Vgs小于一定電壓（Vth）時(shí)，DS極之間的電阻Rds是很大的，可以認(rèn)為開路，電流不能通過(guò)；當(dāng)Vgs達(dá)到Vth時(shí)，MOS管開始導(dǎo)通，Rds隨Vgs的增加迅速減小。當(dāng)Vgs達(dá)到一定的程度，Rds很小，可以認(rèn)為DS之間是近似短路的。Vth可以稱之為開啟電壓（Voltage－Gate threshold），一般為2－4V。
在的緩啟動(dòng)電路中，電阻R39，R49和C7構(gòu)成了分壓式RC時(shí)間常數(shù)電路，C7并聯(lián)在Q31的GS極之間，也就是Vc7＝Vgs。當(dāng)48V電源剛加到單板時(shí)，C7未充電，Vgs＝0，MOS不導(dǎo)通，電源模塊不供電。隨后，48V通過(guò)R39，R49向C7充電，當(dāng)C7的電壓達(dá)到Vth時(shí)，MOS開始導(dǎo)通，這一階段，完成的是延時(shí)上電的作用，延遲時(shí)間可由下式估算：
Uin(R39/(R39+R49))(1－e-T/? )=Vth
其中，T為延遲時(shí)間， Uin＝48V，?為RC電路的時(shí)間常數(shù)，?＝C7（R39//R49），Vth一般取4V。將原理圖中數(shù)值代入計(jì)算可知，延遲時(shí)間T約等于15.3ms。
MOS管開始導(dǎo)通后，Vgs繼續(xù)增加（直到12V左右），Rds迅速減小，緩啟動(dòng)的輸出電壓逐漸升高直到到與輸入電壓基本一致。電源模塊開始工作，單板正式上電。在這一過(guò)程中，輸出電壓并不是瞬間跳變到最高的，因此，大大減輕了沖擊電流的干擾。這一過(guò)程的時(shí)間與C7的充電速度，MOS的特性，負(fù)載特性都有關(guān)系，難以具體計(jì)算，具體還需實(shí)測(cè)調(diào)整。
三、實(shí)測(cè)波形分析
下圖是緩啟動(dòng)的輸入電壓上電波形：
這是緩啟動(dòng)輸入端在電源開關(guān)閉合瞬間的波形，可以看到畫圓圈處的抖動(dòng)，持續(xù)時(shí)間約1ms，如果是熱拔插，這個(gè)抖動(dòng)的幅度和持續(xù)時(shí)間都將可能更大。
下圖是緩啟動(dòng)的C7電壓上升波形：
可以看到，上電15ms后，C7電源上升到約4V，與理論計(jì)算值基本一致。
下圖是緩啟動(dòng)MOS管的D，S間電壓波形。
可以看到，在開關(guān)閉合后的14ms以內(nèi)，輸入電壓完全加在MOS的DS兩端，這與理論計(jì)算值基本一致（由于MOS管的Vth并不一定是4V，有些誤差是很正常的），從14ms開始，Vds以指數(shù)方式下降，過(guò)程時(shí)間約4ms。
下圖是緩啟動(dòng)輸出的電壓波形。
可以看到，對(duì)比緩啟動(dòng)的輸入電壓上電波形，緩啟動(dòng)的輸出電壓不再有開關(guān)閉合時(shí)的抖動(dòng)，而且上電邊沿也非常明顯，過(guò)程約4ms，實(shí)現(xiàn)了減小上電沖擊的目的。
讓我們?cè)侔阉械牟ㄐ畏旁谕粫r(shí)間軸上來(lái)比較一下，如下：
可以看到，經(jīng)過(guò)緩啟動(dòng)電路之后，單板實(shí)際供電電壓Uout比輸入電壓Uin總共延時(shí)了將近20ms，不但消除了上電抖動(dòng)，而且有效減小了沖擊。
四、總結(jié)
1、緩啟動(dòng)的時(shí)間常數(shù)電路必須確保電容充電完成后其電壓不能大于15V，因?yàn)橐话愦蠊β蔒OS管的G，S間擊穿電壓在20V左右，電壓過(guò)高，會(huì)損壞MOS管（現(xiàn)在很多單板上在電容兩端并聯(lián)了一個(gè)穩(wěn)壓管就是起這個(gè)作用的），但是也不應(yīng)該低于10V，因?yàn)橐话愦蠊β蔒OS管的D，S間電阻Rds都需要Vgs達(dá)到10V后才達(dá)到最小值（一般在0.1ohm量級(jí)）。
2、緩啟動(dòng)的延遲時(shí)間不能太長(zhǎng)，原因有二。其一，延遲太長(zhǎng)，熱拔插時(shí)，單板接口信號(hào)線已連接，而電源仍未上電，會(huì)造成接口器件閂鎖損壞；其二，緩啟動(dòng)關(guān)鍵器件MOS管在從截止到導(dǎo)通轉(zhuǎn)換的過(guò)程中瞬間功耗是非常大的，如果電容充電過(guò)于緩慢，造成邊沿時(shí)間太長(zhǎng)，MOS管將因?yàn)楣倪^(guò)大而損壞。延時(shí)一般取幾十毫秒。
一、緩啟動(dòng)電路的作用
通信設(shè)備產(chǎn)品單板上幾乎都在電源模塊的輸入端設(shè)計(jì)有緩啟動(dòng)電路，緩啟動(dòng)電路的功能主要有兩個(gè)：
1、延遲單板電源的上電時(shí)間：我們的單板一般都要求支持熱拔插，當(dāng)單板插入子架時(shí)，單板插頭和母板插針的接觸是不穩(wěn)定的，為了避免這種抖動(dòng)的影響，可以在電源模塊和母板電源之間加一個(gè)電路，使母板的電源延遲一段時(shí)間以后再加到電源模塊。
2、減小上電的沖擊電流：由于單板電源都接有濾波電容，電源上電瞬間跳變時(shí)由于電容的充電，會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊電流，造成母板電源電壓抖動(dòng)，跌落，以及強(qiáng)烈的電磁輻射，很容易對(duì)其他工作中的單板造成不良影響，如果能把電源的上電速度變緩一些，就能有效的減小這種影響。
二、緩啟動(dòng)電路的工作原理
電路的原理圖：
緩啟動(dòng)電路由R39，R49，C7和Q31組成，Q31是絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管，也是緩啟動(dòng)電路最關(guān)鍵的器件。為了理解緩啟動(dòng)的原理，首先我們來(lái)回顧一下MOS管的一點(diǎn)基礎(chǔ)知識(shí)。下圖大致描述了典型的MOS管的轉(zhuǎn)移特性：
MOS管的特性表明，當(dāng)Vgs小于一定電壓（Vth）時(shí)，DS極之間的電阻Rds是很大的，可以認(rèn)為開路，電流不能通過(guò)；當(dāng)Vgs達(dá)到Vth時(shí)，MOS管開始導(dǎo)通，Rds隨Vgs的增加迅速減小。當(dāng)Vgs達(dá)到一定的程度，Rds很小，可以認(rèn)為DS之間是近似短路的。Vth可以稱之為開啟電壓（Voltage－Gate threshold），一般為2－4V。
在的緩啟動(dòng)電路中，電阻R39，R49和C7構(gòu)成了分壓式RC時(shí)間常數(shù)電路，C7并聯(lián)在Q31的GS極之間，也就是Vc7＝Vgs。當(dāng)48V電源剛加到單板時(shí)，C7未充電，Vgs＝0，MOS不導(dǎo)通，電源模塊不供電。隨后，48V通過(guò)R39，R49向C7充電，當(dāng)C7的電壓達(dá)到Vth時(shí)，MOS開始導(dǎo)通，這一階段，完成的是延時(shí)上電的作用，延遲時(shí)間可由下式估算：
Uin(R39/(R39+R49))(1－e-T/? )=Vth
其中，T為延遲時(shí)間， Uin＝48V，?為RC電路的時(shí)間常數(shù)，?＝C7（R39//R49），Vth一般取4V。將原理圖中數(shù)值代入計(jì)算可知，延遲時(shí)間T約等于15.3ms。
MOS管開始導(dǎo)通后，Vgs繼續(xù)增加（直到12V左右），Rds迅速減小，緩啟動(dòng)的輸出電壓逐漸升高直到到與輸入電壓基本一致。電源模塊開始工作，單板正式上電。在這一過(guò)程中，輸出電壓并不是瞬間跳變到最高的，因此，大大減輕了沖擊電流的干擾。這一過(guò)程的時(shí)間與C7的充電速度，MOS的特性，負(fù)載特性都有關(guān)系，難以具體計(jì)算，具體還需實(shí)測(cè)調(diào)整。
三、實(shí)測(cè)波形分析
下圖是緩啟動(dòng)的輸入電壓上電波形：
這是緩啟動(dòng)輸入端在電源開關(guān)閉合瞬間的波形，可以看到畫圓圈處的抖動(dòng)，持續(xù)時(shí)間約1ms，如果是熱拔插，這個(gè)抖動(dòng)的幅度和持續(xù)時(shí)間都將可能更大。
下圖是緩啟動(dòng)的C7電壓上升波形：
可以看到，上電15ms后，C7電源上升到約4V，與理論計(jì)算值基本一致。
下圖是緩啟動(dòng)MOS管的D，S間電壓波形。
可以看到，在開關(guān)閉合后的14ms以內(nèi)，輸入電壓完全加在MOS的DS兩端，這與理論計(jì)算值基本一致（由于MOS管的Vth并不一定是4V，有些誤差是很正常的），從14ms開始，Vds以指數(shù)方式下降，過(guò)程時(shí)間約4ms。
下圖是緩啟動(dòng)輸出的電壓波形。
可以看到，對(duì)比緩啟動(dòng)的輸入電壓上電波形，緩啟動(dòng)的輸出電壓不再有開關(guān)閉合時(shí)的抖動(dòng)，而且上電邊沿也非常明顯，過(guò)程約4ms，實(shí)現(xiàn)了減小上電沖擊的目的。
讓我們?cè)侔阉械牟ㄐ畏旁谕粫r(shí)間軸上來(lái)比較一下，如下：
可以看到，經(jīng)過(guò)緩啟動(dòng)電路之后，單板實(shí)際供電電壓Uout比輸入電壓Uin總共延時(shí)了將近20ms，不但消除了上電抖動(dòng)，而且有效減小了沖擊。
四、總結(jié)
1、緩啟動(dòng)的時(shí)間常數(shù)電路必須確保電容充電完成后其電壓不能大于15V，因?yàn)橐话愦蠊β蔒OS管的G，S間擊穿電壓在20V左右，電壓過(guò)高，會(huì)損壞MOS管（現(xiàn)在很多單板上在電容兩端并聯(lián)了一個(gè)穩(wěn)壓管就是起這個(gè)作用的），但是也不應(yīng)該低于10V，因?yàn)橐话愦蠊β蔒OS管的D，S間電阻Rds都需要Vgs達(dá)到10V后才達(dá)到最小值（一般在0.1ohm量級(jí)）。
2、緩啟動(dòng)的延遲時(shí)間不能太長(zhǎng)，原因有二。其一，延遲太長(zhǎng)，熱拔插時(shí)，單板接口信號(hào)線已連接，而電源仍未上電，會(huì)造成接口器件閂鎖損壞；其二，緩啟動(dòng)關(guān)鍵器件MOS管在從截止到導(dǎo)通轉(zhuǎn)換的過(guò)程中瞬間功耗是非常大的，如果電容充電過(guò)于緩慢，造成邊沿時(shí)間太長(zhǎng)，MOS管將因?yàn)楣倪^(guò)大而損壞。延時(shí)一般取幾十毫秒。
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