帶軟開啟功能的MOS管電源開關電路

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電源開關電路，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電路，是用MOS管實現(xiàn)的，且?guī)?span>軟開啟功能，非常經(jīng)典。

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一、電路說明

電源開關電路，尤其是MOS管電源開關電路，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MOS管符號”代表“1個完整的MOS管電源開關電路”

在設計時，只要增加一個電容（C1），一個電阻（R2），就可以實現(xiàn)軟開啟（soft start）功能。

▲?電容C1、電阻R2實現(xiàn)軟開啟（soft start）功能

軟開啟，是指電源緩慢開啟，以限制電源啟動時的浪涌電流。

在沒有做軟開啟時，電源電壓的上升會比較陡峭。

▲?沒有做軟開啟時，電源電壓上升沿比較陡峭

加入軟開啟功能后，電源開關會慢慢打開，電源電壓也就會慢慢上升，上升沿會比較平緩。

▲?加入軟開啟功能，電源電壓上升沿比較平緩

浪涌電流可能會令電源系統(tǒng)突然不堪重負而掉電，導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。嚴重的可能會損壞電路上的元器件。

▲?浪涌電流時常導致系統(tǒng)不穩(wěn)定，并可能損壞電路元器件

電源上電過快過急，負載瞬間加電，會突然索取非常大的電流。比如在電源電壓是5V，負載是個大容量電容的時候，電源瞬間開啟令電壓瞬間上升達到5V，電容充電電流會非常大。如果同樣的時間內(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)學上分析一下。

電量 = 電容容量 * 電容兩端的電壓，即：

Q = C * U

同時 電量 = 電流 * 時間，即：

Q = I * t

所以電流：

I = (CU) / t

從公式可以看出，當電容容量越大，電壓越高，時間越短，電流就會越大，從而形成浪涌電流。

大電容只是形成浪涌電流的原因之一，其他負載也會引起浪涌電流。

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二、原理分析

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

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

此時電源 5V_IN 剛上電，使MOS管G極與S極等電勢，即Vgs = 0，令Q1關閉。

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、此時將 Control 設為高電平（假設高電平為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

• ②三級管Q2飽和導通，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的充電時間實現(xiàn)了MOS管Q1的緩慢打開（導通），實現(xiàn)了軟開啟的功能。

MOS管打開時的電流流向如下圖所示：

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

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

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三、電路參數(shù)設定說明

調(diào)整C1、R2的值，可以修改軟啟動的時間。值增大，則時間變長。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。

使用原理圖中所標型號的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。

因為下圖中該MOS管的數(shù)據(jù)手冊說它超過2.5A會損壞。

最后：歡迎大家留言討論！

End

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