CN101325411B - 一种直流电源上电缓启动电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种直流电源上电缓启动电路，包括：电阻R1、R2，电容C1和晶体管VT1，电阻R1、R2串接于第一节点和第二节点之间，电容C1一端连于串接电阻R1、R2的中间，另一端接晶体管VT1的源极，还包括：一稳压二极管VD1和一电阻R4，所述稳压二极管VD1一端连接在电阻R1、R2的中间，另一端接晶体管VT1的源极，所述电阻R4一端连于电阻R1、R2的中间、一端连于晶体管VT1的栅极，晶体管VT1的源极接第一节点，漏极接后极电源模块。本发明提出得缓启动电路解决了MOS管易损坏、后级电源出现打嗝现象以及电路可靠性不稳定等问题。
Description
技术领域
本发明涉及通信设备技术领域，尤其涉及传输系统中各种板卡，二次电源板输入上电缓启动电路。
背景技术
传输设备，是在一块背板上集成了多个具有不同功能的可热插拔单板，各种单板上有自己的电源模块，背板上的电源为各个单板分别供电。电源缓启动电路在这种分布式供电系统中得到了广泛的应用。
电源缓启动电路是电源前端电路重要的组成部分，这部分电路是一个供电单元的门户。对于电源内部，电源缓启动电路可以减缓电源上电时对电源内部电路的冲击，特别是避免上电瞬间的大电流对电源模块造成冲击，尽可能使启动电流缓慢上升，以保护后级的电源模块；对于电源外部，电源缓启动电路可以限制电源启动的电流，减少对于电源供方的瞬时的负载效应，如多块二次电源板在同时带载上电时会拉低输入的电源电压。同时，电源缓启动也是EMI(Electromagnetic Interference，电磁干扰)的要求之一。
实现电源缓启动技术的电路有两种：专用热插拔控制芯片和分立元件组合电路，后者具有成本低的特点，所以被广泛地采用。现有技术中采用分立元件的电源缓启动电路如图1所示，工作原理为：电路上电后，电源通过电阻R1、电容C1对晶体管VT1的栅极(G)充电，直至打开MOS(Metal-Oxide-Semiconductor，金属氧化物半导体)管，导通电路，缓启动时间由电阻R1和电容C1的充电时间常数确定。专利号为200610057942.9，200410039885.2的专利中分别陈述了一种电源上电的缓启动电路，但上述电路实际应用中却有以下几个缺点：
1)缓启动电路作用是保护后级的电源模块，因此电路工作时必须首先保证自身的可靠工作，由于MOS管的过压极易造成器件损坏，所以在无保护的情况下很容易烧毁；
2)分压电阻R1、R2和充电电容C1选择比较随意，只要满足分压要求和充电时间常数就可以了，但在实际工作中这两个电阻和电容的取值对电路的影响很大，直接影响电路的可靠性；
3)此电路还存在后级电源模块打嗝(不断开启和关闭)的现象，打嗝时电源模块输出电压的波形如图2所示，电源模块上电后理想输出电压的波形如图3所示；电源模块的不稳定，又将影响到后级电路的稳定性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种直流电源上电缓启动电路，解决现有的电源缓启动电路中MOS管易损坏、电路可靠性受电阻电容取值影响较大以及后级电源模块出现打嗝现象等问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种直流电源上电缓启动电路，包括：电阻R1、R2，电容C1和晶体管VT1，电阻R1、R2串接于第一节点和第二节点之间，电容C1一端连于串接电阻R1、R2的中间，另一端接晶体管VT1的源极，还包括：一稳压二极管VD1和一电阻R4，所述稳压二极管VD1一端连接在电阻R1、R2的中间，另一端接晶体管VT1的源极，所述电阻R4一端连于电阻R1、R2的中间、一端连于晶体管VT1的栅极，晶体管VT1的源极接第一节点，漏极接后极电源模块。
进一步地，上述缓启动电路还可具有以下特点，所述电路还包括一电阻R3和一电容C2，所述电阻R3和电容C2串接在一起然后并接到晶体管VT1的漏极和源极之间。
进一步地，上述缓启动电路还可具有以下特点，所述晶体管VT1为N型金属氧化物半导体晶体管NMOS管，所述第二节点为地GND，所述第一节点为一对地为负的电压输入端。
进一步地，上述缓启动电路还可具有以下特点，所述晶体管VT1为P型金属氧化物半导体晶体管PMOS管，所述第一节点为一对地为正的电压输入端，所述第二节点为地GND。
进一步地，上述缓启动电路还可具有以下特点，所述晶体管VT1耐压值大于或等于100V，导通电阻低于0.05Ω。
进一步地，上述缓启动电路还可具有以下特点，所述分压电阻R1、R2的分压比在第一节点和第二节点间电压为-48V的情况下为3∶1-2∶1。
进一步地，上述缓启动电路还可具有以下特点，所述分压电阻R1、R2在第一节点和第二节点间电压为-48V的情况下分别为100KΩ、33KΩ。
进一步地，上述缓启动电路还可具有以下特点，所述稳压二极管VD1的稳定电压为12V。
进一步地，上述缓启动电路还可具有以下特点，所述电容C1为铝电解电容，电容值为22uF。
进一步地，上述缓启动电路还可具有以下特点，所述电容C2为陶瓷或者薄膜电容，电容值为0.1uF～0.47uF。
本发明有如下技术效果：由于该电源缓启动电路采用了开关保护电路和预充电电路，以及提供了分压电阻R1、R2在不同输入电源电压情况下的优选阻值，从而解决了MOS管易损坏、后级电源出现打嗝现象以及电路可靠性不稳定等问题。
附图说明
图1是现有技术中采用分立元件的电源缓启动电路的示意图；
图2是后级电源模块出现打嗝现象时电源模块输出电压的波形图；
图3是后级电源模块上电后电源模块理想输出电压的波形图；
图4是本发明中直流电源上电缓启动电路的示意图；
图5是本发明另一直流电源上电缓启动电路的示意图。
具体实施方式
本发明提出的电源缓启动电路包括开关控制电路，开关保护电路，晶体管，预充电电路，见图4，具体结构如下：
开关控制电路由分压电阻R1、R2和充电电容C1组成。分压电阻R1和R2串接于输入电源正负端，充电电容C1一端连接在R1与R2的中间，另一端接地。
电源上电后，通过分压电阻对电容C1充电，电容电压超过晶体管的开启电压后，晶体管导通。同时分压电阻使电容的电平钳制在一个相对的固定电平(由于输入电源电压会存在一定幅度的波动，分压电阻也只能把电容电平控制在一定的范围之内)。分压电阻和电容的取值直接决定了整个电路的上电时间。
开关保护电路由一个稳压二极管VD1和一个电阻R4构成，其中，稳压二极管VD1一端接晶体管VT1的源极，另一端连接在电阻R1和R2的中间，电阻R4一端连接在R1和R2的中间，另一端接晶体管VT1栅极。稳压二级管VD1使晶体管的栅源电压钳制在稳压二级管的稳定电压(如12V)上，防止输入电源的突然增大如浪涌等烧毁晶体管开关；电阻R4在工作中限制流入晶体管的栅极电流。
晶体管VT1的漏极和源极串接于直流电源输入的负电源中，即晶体管的源极接输入电源的负极，漏极接后级电源模块，晶体管VT1的栅极由开关控制电路控制，晶体管VT1的打开时间就是缓启动电路的上电时间。该晶体管为一NMOS管。
预充电电路由一个电阻R3和一个电容C2组成。电阻R3和电容C2串接在一起，然后并接在晶体管VT1的漏极和源极之间。预充电电路除了具有保护晶体管，即尽可能避免硬关断晶体管的作用之外，另外还可以对后级电源模块预充电，防止在上电时后级电源模块的启动电流突然增大而导致晶体管开关关闭的问题，即后级电源模块打嗝现象的发生。
电源模块的输入端一般都接有大的电容，MOS管导通后会向此电容充电，当此电容的电压达到电源模块的开启电压后，电源模块就会开启。电源模块的开启会从其输入端吸取比较大的电流，但在MOS管刚开启时，其通过的电流一般都不是很大，如果MOS管通过的电流不足以达到电源模块开启的需要，那么电源模块就容易因为输入电流不够而关闭，而预充电电路可以对这个电容进行预充电，缓解电源模块开启后对MOS管电流的要求，解决打嗝现象。
图4所示的电源缓启动电路的工作原理如下：当电源刚刚上电的时候，晶体管VT1的栅极上还没有电压，MOS管(即晶体管VT1)不导通，后级电源模块没有工作；上电以后，开始对电容C1充电，C1上逐渐建立起电压，当这个电压达到MOS管的开启电压(一般在4V以上)以后，MOS管被打开，但此时MOS管并没有完全导通，可以近似认为工作在线性区，因此有比较大的导通电阻，所以此时电路中的启动电流不会太大；当C1充电完毕后，VT1的栅极电压达到10余伏，MOS管完全导通，此时的导通电阻很小，缓启动完成，整个电路开始正常工作。一旦电源断开时，电容C1上的电荷通过电阻R2泄放，当C1两端的电压降低到MOS管的开启电压以下之后，VT1被关断。这样，在下一次上电之前，C1上的电荷被放掉，为下一次上电的缓启动做好准备。
理论上说，放电速度快一些效果比较好，但是如果要求放电快一些，那么在C1不变的条件下，R2就要选小一点，但此时R2的功率也将增大。
VD1是稳压管，主要用于限制VT1栅极的电压不要太高，R4为MOS管的栅极限流电阻，两者共同作用用于防止瞬间的大电流烧毁MOS管；C2、R3主要用于保护VT1，使MOS管尽可能避免硬关断，另外还可以对后级的电源模块预充电，防止后级电源模块的启动电流突然增大。
下面以输入电源电压为-48V为例(其他输入电源电压如-24V等可参考-48V的参数进行适当修改)，对R1、R2、VD1、C1、VT1、C2、R3、R4等元器件的选择做一个详细说明：
通常情况下，在输入的-48V电源电压下，R1、R2的分压比和VD1决定VT1的栅极电压，一般使栅极电压保持在10余伏从而使MOS管完全导通比较好；与此同时，还必须要考虑设备工作电压的上限和下限是多少，一般情况下上限不会超过58V，下限不会低于40V。比如说如果要求下限是40V，那么必须保证当输入电压降到40V时MOS管仍旧能够饱和导通工作(应考虑MOS管的参数)，这时候分压比就要选的小一点，也就是使R2上的分压高一点。综合考虑起来，R1、R2的分压比一般选择在3∶1-2∶1左右为好，具体怎么确定要看实际设备供电电压的波动范围。
MOS虽然是电压型器件，但其栅极在电压建立过程中(导通之前)，会吸收较大的电流，而一旦电压建立(即已经导通)，则需要的电流非常小，这就要求串接在栅极上的电阻(主要由R1决定)不能太小，至少要保证其通过电流在微安级别，同时栅极的充电电容C1也不能太小，至少要在微法级别。
另外，R1、R2、C1决定了充电时间，这个时间希望能够长一点，一般希望缓启动的时间至少在一、两百个ms以上；R1、R2、C1和VT1的栅极电容决定了放电时间，这个时间希望能够短一点，以加快放电速度，但一般放电时间也有几十到几百个ms。
实际上，由于MOS管的开启电压多数都比较低(一般在4V以上)，因此并不是要等一个充电时间常数RC1(R为R1、R2并联的等效电阻)才到MOS管的开启电压，实际的缓启动时间要比充电时间常数RC1小的多。同样，放电时间常数R2C1也并不是将C1放电到MOS管被关闭的时间。
根据上面的介绍，推荐如下参数：
因为MOS管在10V左右会完全导通，所以VD1可选12V稳压管，推荐选功率为1W的稳压管；
根据VD1的稳压值为12V，则R1，R2的分压比可以选择为3∶1，即稳压管上的电压为12V，再依据保证流过MOS管的电流在微安级别的要求，那么R1可选100KΩ，推荐用1206贴片电阻；
R2可选33KΩ，此时分压比为3∶1，推荐用1206贴片电阻。
C1可选普通的铝电解电容，电容太小，则缓启动时间比较短，启动电流较大，但放电时间会比较短；电容太大，则后级模块启动时间较长，某些情况下有可能会产生多次振荡，这对后级模块不好，而且放电时间也会比较长。因此电容值要选的比较适中才好，本发明中使用22uF的贴片电容，耐压值选50V。
VT1是N沟道MOS管，其是一种高输入阻抗、低开关速度、及低功耗的半导体器件。它的选择与后级电源模块的工作电流有关，选取原则是耐压值大于或等于100V，导通电阻低于0.05Ω，导通电流根据电路的实际工作电流确定。
C2和R3，主要是考虑放电时间常数，一般说来，C2可选陶瓷或薄膜电容，容值在0.1uF～0.47uF为好，耐压值可选100V或100V以上的，实际应用中选100V；R3可选51Ω，功率选1/4W。
电阻R4为MOS管的栅极限流电阻，MOS管为电压控制型器件，所以电源正常启动工作后栅极需要的电流很小，此电阻的取值为5.11Ω，功率选1/4W。
采用上述参数时，根据计算，充电的时间常数RC1为540ms，放电的时间常数R2C1为726ms。
对于其他输入电源电压下(比如-24V)，缓启动电路的参数选择主要依据以下原则：
1)分压电阻R1，R2阻值的选择要保证分压后R2两端的电压要大于MOS管完全导通的电压(即要大于10V)。
2)电阻R1的选择要保证MOS管在正常工作时栅极的供给电流在几百微安级别。
3)栅极的充电电容C1在充电完成后能够供给MOS管足够的电流使其导通。
4)充电时间和放电时间控制在ms级别。
综上考虑，在-24V的输入电压下，各种参数的选择如下：R1＝51.1KΩ，R2＝47.5KΩ，C1＝22uF。
其它元器件的参数选择可参考-48V的情况进行适当修改。
图5所示为本发明另一实施例，其中MOS管为PMOS管，其电路具体如下：电阻R1、R2串接于电源正负端之间(+Vin和地之间)，电容C1一端连于串接电阻R1、R2的中间，另一端接晶体管VT1的源极，稳压二极管VD1一端连接在电阻R1、R2的中间，另一端接晶体管VT1的源极，电阻R4一端连于电阻R1、R2的中间、一端连于晶体管VT1的栅极，晶体管VT1的源极接电源正端(+Vin端)，漏极接后极电源模块，电阻R3和电容C2串接在一起然后并接到晶体管VT1的漏极和源极之间。各器件参数等类似于上述NMOS情况下的器件参数，此处不在赘述。
以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明。本发明中所叙述的是负电源电路，MOS管串接在负电源上，所以要采用NMOS管，而如果涉及的是正电源电路，则可以用PMOS管串接在正电源上。凡在本发明的精神和原则之内，对电路所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种直流电源上电的缓启动电路，包括：电阻R1、R2，电容C1和晶体管VT1，电阻R1、R2串接于第一节点和第二节点之间，电容C1一端连于串接电阻R1、R2的中间，另一端接晶体管VT1的源极，其特征在于，还包括：一稳压二极管VD1和一电阻R4，所述稳压二极管VD1一端连接在电阻R1、R2的中间，另一端接晶体管VT1的源极，所述电阻R4一端连于电阻R1、R2的中间、一端连于晶体管VT1的栅极，晶体管VT1的源极接第一节点，漏极接后极电源模块。
2.如权利要求1所述的缓启动电路，其特征在于，所述电路还包括一电阻R3和一电容C2，所述电阻R3和电容C2串接在一起然后并接到晶体管VT1的漏极和源极之间。
3.如权利要求1或2所述的缓启动电路，其特征在于，所述晶体管VT1为N型金属氧化物半导体晶体管NMOS管，所述第二节点为地GND，所述第一节点为一对地为负的电压输入端。
4.如权利要求1或2所述的缓启动电路，其特征在于，所述晶体管VT1为P型金属氧化物半导体晶体管PMOS管，所述第一节点为一对地为正的电压输入端，所述第二节点为地GND。
5.如权利要求1或2所述的缓启动电路，其特征在于，所述晶体管VT1耐压值大于或等于100V，导通电阻低于0.05Ω。
6.如权利要求1所述的缓启动电路，其特征在于，所述分压电阻R1、R2的分压比在第一节点和第二节点间电压为-48V的情况下为3∶1-2∶1。
7.如权利要求1或6所述的缓启动电路，其特征在于，所述分压电阻R1、R2在第一节点和第二节点间电压为-48V的情况下分别为100KΩ、33KΩ。
8.如权利要求1或2所述的缓启动电路，其特征在于，所述稳压二极管VD1的稳定电压为12V。
9.如权利要求1或2所述的缓启动电路，其特征在于，所述电容C1为铝电解电容，电容值为22uF。
10.如权利要求1或2所述的缓启动电路，其特征在于，所述电容C2为陶瓷或者薄膜电容，电容值为0.1uF～0.47uF。
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- 2008-04-16 CN CN2008100937095A patent/CN101325411B/zh active Active
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