CN101114826B - 电源缓启动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电源缓启动装置，包括：功率场效应管，连接在线性电流控制单元、电流检测单元、以及负载单元之间，用于控制流过负载单元的电流的大小；线性电流控制单元，连接在功率场效应管、电流检测单元、以及装置输入端之间，用于根据电流检测单元的检测结果，对功率场效应管的栅--源电压进行调节；以及电流检测单元，连接在功率场效应管、线性电流控制单元、以及负载单元之间，用于检测流过负载单元的电流的大小。本发明可以在负载上电过程中将负载电流与输入控制电压之间的关系控制成严格的线性关系，并且可以通过对输入控制电压编程，实现复杂的负载电流缓启动控制。

Description

电源缓启动装置 

技术领域

本发明涉及通信领域，更具体地涉及一种电源缓启动装置。 

背景技术

目前，通信设备的集成度和复杂度越来越高，出于保护设备、降低电磁干扰(Electromagnetic Interference，简称EMI)等方面的考虑，通信系统对设备电源上电过程提出了更严格的要求，电源上电缓启动控制是常用的保护通信设备和降低EMI的方法。现有的设备电源上电缓启动控制方法如图1所示，在电源回路中增加功率场效应管(MOSFET)，通过控制MOSFET的栅源电压V_GS来控制MOSFET的沟道电阻，从而控制设备电源上电过程中流过设备的电流，通过构造不同的V_GS波形，形成不同的缓启动控制方法。但这种缓启动控制方法存在以下不足：①属于开环控制电路，易受元器件参数偏差、负载变化、以及电源波动等的影响，负载电流难以精确控制；②缓启动过程结束后，控制电路即“失效”，当负载特性变化和电源发生突变时，不能保护设备和抑制EMI干扰。 

发明内容

鉴于以上所述的一个或多个问题，本发明提供了一种新的电源缓启动装置，以在负载上电过程中将负载电流与输入控制电压之间的关系控制成严格的线性关系。

根据本发明的电源缓启动装置包括：功率场效应管，连接在线性电流控制单元、电流检测单元、以及负载单元之间，用于控制流过负载单元的电流的大小；线性电流控制单元，连接在功率场效应管、电流检测单元、以及装置输入端之间，用于根据电流检测单元的检测结果，对功率场效应管的栅--源电压进行调节；以及电流检测单元，连接在功率场效应管、线性电流控制单元、以及负载单元之间，用于检测流过负载单元的电流的大小。 

其中，线性电流控制单元包括：输入衰减单元，用于对来自装置输入端的输入电压进行衰减；差值放大单元，用于对电流检测单元的输入端和输出端之间的电位差进行放大；以及运算放大单元，用于生成用于对功率场效应管的栅--源电压进行调节的调节电压，其中，电流检测电阻串联在负载电流回路中，电流检测电阻两端的降压经差值放大单元放大后得到运算放大单元的反相输入电压，输入控制电压经过电阻构成的衰减网络衰减后，作为运算放大单元的同相输入电压。 

其中，输入衰减单元包括至少一个电阻。电流检测单元为与负载单元串联的一个或多个电阻。 

其中，差值放大单元与电流检测单元构成的反馈环节的反馈系数K＝G_E×R_SE，其中，G_E是差值放大单元的增益，R_SE是电流检测单元的电阻阻值。运算放大单元与功率场效应管构成的开环传递环节的传递函数H＝G×G_M，其中，G是运算放大单元的增益，G_M是功率场效应管的跨导。根据本发明的电源缓启动装置的闭环传递函数为 $G=\frac{\mathrm{Iload}}{\mathrm{Vin}}=L\·\frac{H}{1+K\·H},$ 其中，K是差值放大单元与电流检测单元构成的反馈环节的反馈系数，V_in是输入电压，I_load是流过负载单元的电流，L是电压衰减系数，H是控制系统的开环传递函数。 

其中，差值放大单元是误差放大器，运算放大单元是运算放大器。运算放大器的增益大于1E4，功率场效应管的跨导的典型值为35＜G_M＜100。 

通过本发明，可以在负载上电过程中将负载电流与输入控制电压之间的关系控制成严格的线性关系，并且可以通过对输入控制电压编程，实现复杂的负载电流缓启动控制。本发明能够克服元件制造偏差、负载特性变化等因素，在应用于不同负载或替换关键元件(如MOSFET)时，无需更改控制电路参数。另外，反馈的引入在一定程度上抑制了由负载特性变化和电源突变等引起的浪涌电流，提高了电源缓启动装置的EMI性能。 

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中： 

图1是现有的缓启动控制电路的框图； 

图2是本发明的原理框图； 

图3是本发明的闭环控制模型图； 

图4是本发明的一种电路实现图；以及 

图5是本发明的使用结果示意图。 

具体实施方式

下面参考附图，详细说明本发明的具体实施方式。 

图2是本发明的原理框图。如图2所示，根据本发明的电源缓启动装置包括以下组成部分：功率MOSFET、电流检测单元、线性电流控制单元。其中，电流检测单元由功率电阻组成；线性电流控 制单元由误差放大器、运算放大器、以及电阻构成的输入衰减网络构成。 

图3是本发明的闭环控制模型。在图3中，Vin表示输入控制电压；Vcin表示衰减后的输入控制电压；V_SE表示反馈电压；I_load表示负载电流；L表示输入电压衰减系数；H表示控制系统的开环传递函数；K表示反馈系数。 

其中，该闭环控制模型的闭环传递函数为：  $G=\frac{\mathrm{Iload}}{\mathrm{Vin}}=L\·\frac{H}{1+K\·H}.$ 当KH>>1时，  $G\≈L\·\frac{1}{K}$ 。即，当环路增益足够大时，闭环系统的响应取决于反馈，而几乎与开环特性无关。 

图4是本发明的一种电路实现。在图4中，电流检测单元由0.02欧姆的功率电阻组成；线性电流控制单元由误差放大器A1、运算放大器A2、以及R3和R4构成的输入衰减网络构成。其中，电流检测电阻R_SE串联在负载电流回路中，它两端的压降与负载电流成正比，R_SE两端的压降经误差放大器A1放大后得到运算放大器A2的反相输入电压：V_SE＝G_E·Iload·R_SE。输入控制电压Vin经过电阻R3和R4构成的衰减网络衰减后，作为运算放大器A2的同相输入电压：Vcin＝Vin×L。其中，为了满足黄金规则(运算放大器同相输入端电压等于反相输入端电压)，运算放大器A2调整VT1的栅源电压V_GS，以控制VT1的沟道电阻，直到负载电流满足以下条件：Iload·R_SE·G_E＝Vin·L或  $\mathrm{Iload}=\mathrm{Vin}\·\frac{L}{R_{\mathrm{SE}}\·G_E}$ ，即实现了控制电压与负载电流的线性关系。 

其中，电阻R3和R4构成的输入衰减网络的输入电压衰减系数L＝R4/(R3+R4)；误差放大器A1和电阻R_SE构成的反馈环节的反馈系数K＝G_E×R_SE，其中，G_E＝20为误差放大器的增益，R_SE＝0.02为 电流检测电阻；运算放大器A2构成加法器，其与MOSFET构成的开环传递环节的传递函数H＝G×G_M，其中，运算放大器的增益的典型值G>1E4，MOSFET跨导的典型值35<G_M<100。将以上参数的典型值代入闭环传递函数，可以得出  $2.500017S>\frac{G}{L}>2.500006S.$

当输入控制电压Vin对应的负载电流达到电源系统能够供给的最大电流Ip或负载吸收的电流达到最大值I_LMAX后，如果Vin继续增大，则运算放大器输出正向饱和，运算放大器输出固定为最大电源电压，使VT1处于完全导通状态，负载缓启动过程结束。 

对于根据本发明的电源缓启动装置，在正常工作过程中，当由于负载变化或电源变化引起的浪涌电流大于Vin设置的最大电流I_MAXSET＝Vin·L/(R_SE·G_E)时，运算放大器A2会通过调节V_GS来调节VT1的沟道电阻，以将其电流限制在I_MAXSET之内，从而在一定程度上抑制浪涌电流的产生，提高系统的EMI性能。 

由于输入电压衰减环节不在反馈回路中，并不影响线性度，因此，在MOSFET跨导变化范围内，根据本发明的电源缓启动装置的线性度优于(2.500017-2.500006)/2.500006<1e-6。所以，负载启动过程中的电流I_load可以由缓启动控制电压Vin精确控制。 

上面的讨论已经阐述了本发明的工作原理，图5给出了它在缓启动电路中的应用结果。在图5中，分别给出了输入控制电压Vin、VT1栅源电压V_GS、和负载电流的曲线。其中，缓启动控制电压被设计成具有线性上升沿和下降沿的波形，且下降过程比上升过程快。在0～0.5ms内，由于控制电压为负电压，运算放大器输出电压负饱和，V_GS锁定在0V，迫使MOSFET保持关断，负载电流为0A。0.5～6.5ms内，控制电压线性增大，负载电流随输入控制电压线性增加，这一过程即为缓启动的过程。6.5～10ms内，由于负载电流已达 到最大值，运算放大器输出正饱和，V_GS锁定在运算放大器输出最大电压10V，MOSFET保持完全开启状态，缓启动过程结束。10～30ms内的情况同6.5～10ms一样，运算放大器控制输出饱和，使MOSFT保持完全开启。30～32ms内，控制电压迅速线性下降，MOSFET控制电压V_GS和负载电流经过与上升过程相反的过程，分别下降到0V和0A。可以看出，无论是在负载电流上升或下降的过程中，V_GS并非线性变化，正是由于反馈回路控制V_GS使其抵消了MOSFET传递特性的非线性，才实现了负载电流的线性控制。 

采用本发明，通过设计不同的控制电压波形(电压波形的设计相对电流波形设计来说是比较容易)，可以实现设备电源上电缓启动任意规律的负载电流控制，如指数缓启动、阶梯缓启动、甚至是阻尼振荡缓启动；同样的原理，通过设计适当的控制电压来控制负载的关断过程，可以实现“缓关闭”控制电路。 

综上所述，本发明可以在负载上电过程中将负载电流与输入控制电压之间的关系控制成严格的线性关系，并且可以通过对输入控制电压编程，实现复杂的负载电流缓启动控制。另外，本发明可以克服元件制造偏差、负载特性变化等因素，在应用于不同负载或替换关键元件(如MOSFET)时，无需更改控制电路参数。另外，反馈的引入在一定程度上抑制了由负载特性变化和电源突变等引起的浪涌电流，提高了的电源缓启动装置的EMI性能。 

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (7)

1.一种电源缓启动装置，其特征在于，包括：

功率场效应管，连接在线性电流控制单元、电流检测单元、以及负载单元之间，用于控制流过所述负载单元的电流的大小；

所述线性电流控制单元，连接在所述功率场效应管、所述电流检测单元、以及装置输入端之间；以及

所述电流检测单元，连接在所述功率场效应管、所述线性电流控制单元、以及负输入电压端之间；

所述电流检测单元由功率电阻组成；

所述线性电流控制单元由误差放大器、运算放大器、以及电阻构成的输入衰减网络构成；

所述线性电流控制单元包括：

所述输入衰减网络，用于对来自所述装置输入端的输入控制电压进行衰减；

所述误差放大器，用于对所述电流检测单元的输入端和输出端之间的电位差进行放大；以及

所述运算放大器，用于生成用于对所述功率场效应管的栅--源电压进行调节的调节电压，其中，

所述电流检测单元串联在负载电流回路中，所述电流检测单元两端的压降经所述误差放大器放大后得到所述运算放大器的反相输入电压，输入控制电压经过所述衰减网络衰减后，作为所述运算放大器的同相输入电压。

2.根据权利要求1所述的电源缓启动装置，其特征在于，所述输入衰减网络包括至少两个电阻。

3.根据权利要求2所述的电源缓启动装置，其特征在于，所述电流检测单元为一个或多个电阻。

4.根据权利要求3所述的电源缓启动装置，其特征在于，所述误差放大器与所述电流检测单元构成的反馈环节的反馈系数K＝G_E×R_SE，其中，G_E是所述误差放大器的增益，R_SE是所述电流检测单元的电阻阻值。

5.根据权利要求4所述的电源缓启动装置，其特征在于，所述运算放大器与所述功率场效应管构成的开环传递环节的传递函数H＝G×G_M，其中，G是所述运算放大器的增益，G_M是所述功率场效应管的跨导。

6.根据权利要求5所述的电源缓启动装置，其特征在于，所述装置的闭环传递函数为

其中，K是所述误差放大器与所述电流检测单元构成的反馈环节的反馈系数，V_in是所述输入控制电压，I_load是流过所述负载单元的电流，L是输入控制电压衰减系数，H是控制系统的开环传递函数。

7.根据权利要求5至6中任一项所述的电源缓启动装置，其特征在于，所述运算放大器的增益大于1E4，所述功率场效应管的跨导的典型值为35＜G_M＜100。

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