CN101252309A - 一种直流电源缓启动控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直流电源缓启动控制电路，包括串在负RTN输入电压端上的晶体开关管VT1，还包括正VIN、负RTN输入电压端之间的分压电路以及该分压电路分压节点与负RTN输入电压端之间的电容C1，所述晶体开关管VT1的控制端与所述分压节点连接。这种电路通过让作为晶体开关管的MOSFET由夹断区经恒流区向欧姆区过渡，等效一由大变小的串联阻抗来抑制冲击电流，达到缓启动的目的，另外，在控制端增加电荷快放电路，在下电后加速MOSFET关断，从而能够适应快速频繁插拔的环境。

Description

一种直流电源缓启动控制电路

技术领域

本发明涉及电子电路，具体涉及一种直流电源缓启动控制电路。

背景技术

(一)问题来由

通讯系统的高可靠性，要求电源板，用户板支持热插拔，在热插拔过程中由于长时间的大启动电流的冲击往往引起电子设备故障。试验表明，故障基本出在以下几个方面：

1)，在输入端很大的电流冲击下，使得插接件打火和氧化变色；

2)，在电源48V，24V母线上会产生振铃干扰。

3)，部分具有欠压保护的供电设备会因此而误动作，导致输出电压降低及电路复位等问题。

4)，长时间大电流冲击使得快速保险丝熔断，经常要加大保险丝的容量。

(二)原理分析

如图1所示，DC-DC模块电源应用时的使用输入电路。

上电瞬间，电源电压加在C2两端，对C2进行充电，C2电压不能突变，按下式进行冲电：

$I=\frac{\mathrm{Vin}-\mathrm{Vc}2}{R1+R2}=\frac{\mathrm{Vin}-\frac{{\∫}_0^{t}i\left(t\right)\×\mathrm{dt}}{C2}}{R1+R2}---\left(1\right)$

上电瞬间，dt→0，VC2→0

$I\max =\frac{\mathrm{Vin}}{R1+R2}---\left(2\right)$

R1为线路等效阻抗，R2为输入电容C2等效串联电阻(ESR)。由于R1+R2值为毫欧数量级，所以充电电流Imax非常大。并且根据公式1，输入电容C2的容量越大，Vc1电压上升所需要的时间越长，充电大电流持续的时间就越长。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是如何提供一种直流电源缓启动控制电路，可用于单板热插拔，进一步还可适应快速热插拔，在复杂环境下，仍然能在上电前激活缓启动功能，再进一步同时具备输入电压防反接作用。

本发明的上述技术问题这样解决，提供一种直流电源缓启动控制电路，如图2或3所示，包括串在负RTN输入电压端上的晶体开关管VT1，还包括正VIN、负RTN输入电压端之间的分压电路以及该分压电路分压节点与负RTN输入电压端之间的电容C1，所述晶体开关管VT1的控制端与所述分压节点连接。

按照本发明提供的控制电路，所述晶体开关管VT1是N沟道绝缘栅场效应管，所述控制端是VT1栅源级。

按照本发明提供的控制电路，该控制电路还包括串在输入电压端上的防反接二极管VD1或VD3。

按照本发明提供的控制电路，所述防反接二极管VD1串在负RTN输入电压端并位于所述晶体开关管VT1的外侧。

按照本发明提供的控制电路，所述防反接二极管VD3串在负RTN输入电压端并位于所述晶体开关管VT1的内侧。

按照本发明提供的控制电路，所述防反接二极管VD3还可以串在正VIN输入电压端并位于R1和C2与正VIN输入端连接节点之间。

按照本发明提供的控制电路，该控制电路还包括与所述电容C1并联的放电三极管VT2，所述分压节点通过正向二极管VD4连接所述电容C1、所述控制端和所述放电三极管VT2的放电端。

按照本发明提供的控制电路，所述放电三极管VT2是PNP或NPN型。

按照本发明提供的控制电路，该控制电路还包括与所述电容C1并联的稳压管VD2。

按照本发明提供的控制电路，所述晶体开关管的控制端通过第三电阻R3与所述分压节点连接。

按照本发明提供的控制电路，所述分压电路包括串接的第一电阻R1和第二电阻R2。

本发明提供的一种直流电源缓启动控制电路，通过让作为晶体开关管的绝缘栅场效应管MOSFET由夹断区经恒流区向欧姆区过渡，等效一由大变小的串联阻抗来抑制冲击电流，达到缓启动的目的，另外，在控制端增加MOSFET栅荷快放电路，在下电后加速MOSFET关断，从而在电路拔出后，MOSFET被迅速关断，为下一次上电做好准备，这样能够适应快速频繁插拔的环境(如电源插座触点接触抖动；人为的频繁上，下电)。

附图说明

下面结合附图和具体实施例进一步对本发明进行详细说明。

图1是无缓启动的单板电源输入电路示意图；

图2是本发明所采用的一种缓启动控制电路示意图；

图3是本发明在图2所示电路基础上进一步演变的缓启动控制电路示意图；

图4是本发明在图2所示电路基础上进一步演变的另一种缓启动控制电路示意图；

图5是一种使用图2所示电路的MOSFET缓启动栅级电压波形示意图；

图6是一种使用图3或图4所示电路的下电后MOSFET栅级放电波形示意图。

具体实施方式

如图2所示，本发明所采用的第一种缓启动实现电路：

(一)电路结构

该电路核心部分包括一个控制冲击电流的晶体管，本电路使用N沟道绝缘栅场效应管VT1，相关的控制电路，包含分压电阻R1、R2，接在输入电压端，与R2并联的电容C1，并一起接在VT1栅源级。VD1为输入电压防反接二极管。仅作防反接用，不参与缓启动控制。另FU1为电路热熔断器，VD2为齐纳稳压管，R3为栅极电阻，为缓启动电路之附属器件。C2是直流电源模块M1的输入电容，R4是C2泄放电阻。

(二)工作原理

上电后，VT1栅板电压为电容C1的电压，Vc1电压按照下式变化：

$\mathrm{Vc}1=\mathrm{Vin}\×\frac{R2}{R1+R2}\×(1-e^{-\frac{t}{\mathrm{\τ}}})---\left(3\right)$

上式中，τ为充电回路时间常数，其值为：

$\mathrm{\τ}=\frac{R1\×R2}{R1+R2}\×C1---\left(4\right)$

根据公式3，通电瞬间，t→0，Vc1＝0，VT1截止，此时最大充电电流Imax≈0，C2被限流充电。随电容C1电压按照指数规律缓慢上升，场效应管VT1的导通电阻逐步下降，C1电压上升到一定时(典型值为6～12V)，此时VT1等效电阻很小，可作为开关。由于绝缘栅场效应管VT1不需多大电流来驱动栅极，所以R1、R2可选阻值较大。该方法通过让绝缘栅场效应管由夹断区经恒流区向欧姆区过渡，等效一由大变小的串联阻抗来抑制冲击电流，达到缓启动的目的。

如果时间常数取得比较大，Vgs上升波形近似线性，近似恒流源给栅荷充电的的效果。而且上升斜率调节方便，可适应大容量输入电容使用环境。图5为采用该控制方式的MOSFET缓启动Vgs上升波形。

该方法以通过R1，R2，C1来控制电容的充电速度，可以通过优化参数设置来保证在热插拔过程中保证MOSFET Vds，Id处于MOSFET SOA区域内，同时控制脉冲功耗不使其结温超过Tjmax。MOSFET所能承受的最大脉冲功耗为：

$\mathrm{Pd}\left(\mathrm{pulse}\right)=\frac{\mathrm{Tj}\max -\mathrm{Tcase}}{\mathrm{Zthj}-\mathrm{csase}}---\left(5\right)$

上式中Tjmax为MOSFET最大节温限制值。Tcase为MOSFET外壳温度。Zthi-case为瞬态结对外壳热阻，为MOSFET处于脉冲功耗下的热阻，由于其值比直流热阻Rthj-case要小许多，所以允许的脉冲功耗可到几百瓦数量级。该热阻在MOSFET封装一定的前提下，由脉冲功耗持续时间和占空比决定。

(三)演变电路

为进一步为适应快速频繁插拔的环境(如电源插座触点接触抖动；人为的频繁上，下电)，希望电路拔出后，MOSFET被迅速关断，为下一次上电做好准备。以保持缓启动功能。为此须要在控制电路增加MOSFET栅荷快放电路，在下电后加速MOSFET关断。

如图3所示，该电路在图2的基础上进一步在VT1和C2之间串接一个二极管VD3，在R2和C1之间串接一二极管VD4，在C1两端并接一PNP三极管VT2。

图4是演变电路的另外一种形式，VD3放置在正输入端，位于R1与C2和Vin的节点之间。作用效果等同于图3。

该部分电路作用机理为：二极管VD3，可破坏缓启动电路后面的大电解电容C2形成的从C2阳极→R1→C1→VT1(VT1关闭后通过其体二极管)→C2阴级放电回路，消除VT1在C1电压维持作用下的长通态。在没有VD3时，放电时间将会持续很长。

而且该二极管还有防止电压反接作用。在输入电压反接情况下，缓起动电路器件所承受的电压，电流应力都很小，可不用考虑反压对该部分电路的影响，图2中的VD1可被取消。

PNP三极管VT2起加速放电作用，加快C1电荷泄放。如图3所示，VD4在C1充电期间或VT1导通期间导通。VT2基级反偏，处于截至状态，维持电路正常工作。当下电时，VT2基级被电阻R2拉低，其发射级较高的电压也保证了对基级较强的驱动力，VT2趋向饱合导通，这样C1电压被VT2拉低到Vbe结电压电平。VT1栅荷泄放速度加快。功率绝缘栅场效应管的栅极开启电压Vgs(th)一般在2～4V之间，VT1可被可靠关断。图6为该实施例电路的Vgs放电波形。可在62ms内从Vgsmax下到Vgs(th)，比不实施该方案的放电时间3.46秒，要缩短许多。

Claims (10)

1、一种直流电源缓启动控制电路，其特征在于，包括串在负输入电压端上的晶体开关管，还包括正、负输入电压端之间的分压电路以及该分压电路分压节点与负输入电压端之间的电容，所述晶体开关管的控制端与所述分压节点连接。

2、根据权利要求1所述控制电路，其特征在于，所述晶体开关管是N沟道绝缘栅场效应管，所述控制端是N沟道绝缘栅场效应管栅源级。

3、根据权利要求1所述控制电路，其特征在于，该控制电路还包括串在输入电压端上的防反接二极管。

4、根据权利要求1所述控制电路，其特征在于，所述防反接二极管串在正输入电压端并位于分压电路和电容与正输入端连接节点之间。

5、根据权利要求3所述控制电路，其特征在于，所述防反接二极管串在负输入电压端并位于所述晶体开关管的外侧。

6、根据权利要求3所述控制电路，其特征在于，所述防反接二极管串在负输入电压端并位于所述晶体开关管的内侧。

7、根据权利要求6所述控制电路，其特征在于，该控制电路还包括与所述电容并联的放电三极管，所述分压节点通过正向二极管连接所述电容、所述控制端和所述放电三极管的放电端。

8、根据权利要求7所述控制电路，其特征在于，所述放电三极管是PNP或NPN型。

9、根据权利要求1或7所述控制电路，其特征在于，该控制电路还包括与所述电容并联的稳压管。

10、根据权利要求1或7所述控制电路，其特征在于，所述晶体开关管的控制端通过第三电阻与所述分压节点连接。

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