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電源開關(guān)電路,經(jīng)常用在各“功能模塊”電路的電源通斷控制,是常用電路之一。

本文要講解的電源開關(guān)電路,是用MOS管實(shí)現(xiàn)的,且?guī)?span>軟開啟功能,非常經(jīng)典。

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、電路說明


電源開關(guān)電路,尤其是MOS管電源開關(guān)電路,經(jīng)常用在各“功能模塊”電路的電源通斷控制,如下框圖所示。


▲?框圖中“1個(gè)MOS管符號(hào)”代表“1個(gè)完整的MOS管電源開關(guān)電路”


在設(shè)計(jì)時(shí),只要增加一個(gè)電容(C1),一個(gè)電阻(R2),就可以實(shí)現(xiàn)軟開啟(soft start)功能。


▲?電容C1、電阻R2實(shí)現(xiàn)軟開啟(soft start)功能


軟開啟,是指電源緩慢開啟,以限制電源啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流。

在沒有做軟開啟時(shí),電源電壓的上升會(huì)比較陡峭。


▲?沒有做軟開啟時(shí),電源電壓上升沿比較陡峭


加入軟開啟功能后,電源開關(guān)會(huì)慢慢打開,電源電壓也就會(huì)慢慢上升,上升沿會(huì)比較平緩。


▲?加入軟開啟功能,電源電壓上升沿比較平緩


浪涌電流可能會(huì)令電源系統(tǒng)突然不堪重負(fù)而掉電,導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。嚴(yán)重的可能會(huì)損壞電路上的元器件。


▲?浪涌電流時(shí)常導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定,并可能損壞電路元器件


電源上電過快過急,負(fù)載瞬間加電,會(huì)突然索取非常大的電流。比如在電源電壓是5V,負(fù)載是個(gè)大容量電容的時(shí)候,電源瞬間開啟令電壓瞬間上升達(dá)到5V,電容充電電流會(huì)非常大。如果同樣的時(shí)間內(nèi)電源電壓只上升到2.5V,那么電流就小得多了。下面從數(shù)學(xué)上分析一下。

電量 = 電容容量 * 電容兩端的電壓,即:

Q = C * U

同時(shí) 電量 = 電流 * 時(shí)間,即:

Q = I * t

所以電流:

I = (CU) / t

從公式可以看出,當(dāng)電容容量越大,電壓越高,時(shí)間越短,電流就會(huì)越大,從而形成浪涌電流。

大電容只是形成浪涌電流的原因之一,其他負(fù)載也會(huì)引起浪涌電流。

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二、原理分析


1、控制電源開關(guān)的輸入信號(hào) Control 為低電平或高阻時(shí),三極管Q2的基極被拉低到地,為低電平,Q2不導(dǎo)通,進(jìn)而MOS管Q1的Vgs = 0,MOS管Q1不導(dǎo)通, 5V_OUT 無輸出。電阻R4是為了在 Control 為高阻時(shí),將三極管Q2的基極固定在低電平,不讓其浮空。



2、當(dāng)電源 5V_IN 剛上電時(shí),要求控制電源開關(guān)的輸入信號(hào) Control 為低電平或高阻,即關(guān)閉三極管Q2,從而關(guān)閉MOS管Q1。因 5V_IN 還不穩(wěn)定,不能將電源打開向后級(jí)電路輸出。此時(shí)等效電路圖如下。



此時(shí)電源 5V_IN 剛上電,使MOS管G極與S極等電勢(shì),即Vgs = 0,令Q1關(guān)閉。


3、電源 5V_IN 上電完成后,MOS管G極與S極兩端均為5V,仍然Vgs = 0。


4、此時(shí)將 Control 設(shè)為高電平(假設(shè)高電平為3.3V),則:



  • ①三極管Q2的基極為0.7V,可算出基極電流Ibe為:

(3.3V - 0.7V) / 基極電阻R3 = 0.26mA

  • ②三級(jí)管Q2飽和導(dǎo)通,Vce ≈ 0。電容C1通過電阻R2充電,即C1與G極相連端的電壓由5V緩慢下降到0V,導(dǎo)致Vgs電壓逐漸增大。

  • ③MOS管Q1的Vgs緩慢增大,令其緩慢打開直至完全打開。最終Vgs = -5V。

  • ④利用電容C1的充電時(shí)間實(shí)現(xiàn)了MOS管Q1的緩慢打開(導(dǎo)通),實(shí)現(xiàn)了軟開啟的功能。


MOS管打開時(shí)的電流流向如下圖所示:



5、電源打開后, 5V_OUT 輸出為5V電壓。此時(shí)將 Control 設(shè)為低電平,三極管Q2關(guān)閉,電容C1與G極相連端通過電阻R2放電,電壓逐漸上升到5V,起到軟關(guān)閉的效果。軟關(guān)閉一般不是我們想要的,過慢地關(guān)閉電源,可能出現(xiàn)系統(tǒng)不穩(wěn)定等異常。過程如下圖。



過慢地開啟和關(guān)閉電源都可能導(dǎo)致電路系統(tǒng)異常,這個(gè)MOS管電源開關(guān)電路及其參數(shù)已經(jīng)過大批量使用驗(yàn)證,一般情況下可以直接照搬使用。

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三、電路參數(shù)設(shè)定說明


調(diào)整C1、R2的值,可以修改軟啟動(dòng)的時(shí)間。值增大,則時(shí)間變長(zhǎng)。反之亦然。

如果不想使用軟開啟功能,直接不上件電容C1即可。

使用原理圖中所標(biāo)型號(hào)的MOS管(WPM2341A-3/TR),通過的電流最好不要超過1.75A,留至少30%的余量,并且要注意散熱。

因?yàn)橄聢D中該MOS管的數(shù)據(jù)手冊(cè)說它超過2.5A會(huì)損壞。


最后:歡迎大家留言討論!

End


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