缓启动电路的设计与实现
缓启动电路的设计与实现
缓启动电路在电子设备中扮演着至关重要的角色，特别是在需要热插拔或存在大容量电容的场合。本文将详细介绍缓启动电路的作用、实现方式及其具体设计方法，帮助读者更好地理解和应用这一技术。
外部供电直接上电可能导致的问题
- 在热拔插的过程中，两个连接器的机械接触，触点在瞬间会出现弹跳，电源不稳，发生震荡。这期间系统工作可能造成不稳定。
- 由于电路中存在滤波或大电解电容，在上电瞬间，会产生较大的脉冲电流，有时候会看到DC接头有明显的打火现象，这就可能引起电路的异常，造成各芯片的损坏。
采用缓启动电路的好处
- 延缓输入电源的上电时间：电源输入一般要求热插拔，在插拔过程中，接触是不稳定的，会有抖动的影响。
- 减少上电的冲击电流：电源上电速度变慢，能有效减少冲击电流。电源都会有滤波或者大的电解电容，上电瞬间，由于电容的充电，会产生较大的冲击电流，造成电源电压抖动，跌落，以及强烈的电磁辐射。
缓启动电路的几种方式
1. 选择带缓启动的芯片
如下图SGM6623带有使能脚，当EN为高电平，芯片工作；当EN为低电平，芯片不工作。那么，我们可以将EN引脚加入一个RC延时电路，延缓芯片开启的工作时间，达到缓启动的目的（如下为示意图），通过调整RC的参数可实现缓启动的上升时间。
举例说明：假设希望缓启动上升时间为 100ms，按照一阶 RC 充电电路中，电容电压达到约 95% 所需时间近似为 3 个时间常数（τ）来估算。则 3τ = 100ms，那么 τ = 100ms / 3 ≈ 33.3ms。若选取电阻 R = 10kΩ ，根据 τ = RC，可得电容 C = τ / R = 33.3×10⁻³s / 10×10³Ω = 3.33μF，可选取接近的标准电容值如 3.3μF 。
2. MOS管实现缓启动电路
当芯片不带缓启动电路，或自带的缓启动电路达不到想要的效果时，我们该如何？一般缓启电路都可以由MOS管来设计，因为MOS管有很低的导通电阻以及驱动电路简单，所以用途广泛。如下电路图，下面详细说说该电路是如何设计的。
该电路主要由D1，R1，R2，C1和Q10组成。
- D1是稳压二极管，防止输入电压过大损坏P-MOS管；
- C1和R2的作用是实现防抖动延时功能；
- R1的作用是给C1提供一个快速放电的回路，要求R1跟R2之间的分压值必须大于MOS导通电压。
原理分析：
该电路中最重要的元器件就是P-MOS管，我们来一起回顾一下MOS管的基础知识。图中为PMOS，做开关管的时候，电流是从S流到D端。导通条件是：Ug ＜ Us，简单认为Ug=Us截止。具体小多少，得看管子参数。假设pmos型号为AO3401。查看数据手册，Vgs(th)最大值为-1.3，即Ug 至少要小于 Us有1.3V的电压。那到底取值多少合适呢？，查看手册Vds和Id的曲线关系图可以看出Vgs=-10V时，管子导通的速度最快（导通速度越快，弥勒平台停留的时间越短，功耗越小），且没有超过要求的最大值。一般PMOS驱动电压都设置为Vgs=-10V。
该电路中，电阻R1，R2和C1构成了分压式RC时间常数电路，C1并联在Q10的GS极之间。
原理分析：
- 当12V电源接通瞬间，C1未充电，Vgs＝0，MOS不导通。
- 过一段时间后，12V通过R2向C1充电，当C1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。
- MOS管开始导通后，Vgs继续增加（最终在-10V左右），管子迅速打开，缓启动的输出电压逐渐升高直到与输入电压基本一致。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C1的充电速度，MOS的特性，负载特性都有关系，可粗略计算，还需实测调整。
需要注意的是：
- 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其Vgs最大电压范围
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），但也不能低于10V，因为一般大功率MOS管的D，S间电阻Rds（on）都需要Vgs达到10V后才达到最小值（一般在＜0.1ohm量级）。 - 缓启动的延迟时间不能太长
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。