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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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、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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