CN102570785B - 一种直流电源热插拔缓启动控制电路及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种直流电源热插拔缓启动控制电路，包括，分立元件缓启动电路、功率电阻电路、MOS管漏源极检测电路，功率电阻电路并联于所述分立元件缓启动电路的MOS管源极、漏极之间；MOS管漏源极检测电路与功率电阻电路、分立元件缓启动电路相连，用于检测所述功率电阻电路的电压值，当所述电压值在设定值范围内时，使分立元件缓启动电路的MOS管导通；当所述电压值超出所述设定值范围时，使分立元件缓启动电路的MOS管截止。本发明提供一种直流电源热插拔缓启动控制方法。本发明可以有效避免MOS被雪崩击穿，同时能有效降低MOS漏源极电压应力，便于其经济选型。
Description
技术领域
本发明涉及电子设备供电技术领域，尤其涉及的是通信系统设备上功率较大的直流电源热插拔缓启动控制电路及控制方法。
背景技术
随着通讯电子技术的发展，客户对通信设备的可靠性要求越来越高，通信网络一旦中断会造成大面积投诉与经济损失，因此越来越多的通信设备要求在整机不断电的情况下，可实现对故障单板热插拔更换。单板在进行热插拔操作时，单板上直流电源输入端口处的电容在上电瞬间处于短路状态，产生较大的冲击电流，造成连接器打火氧化或永久性损坏、或引起系统母线电压发生振铃现象、或造成其他单板上直流电源因输入短暂过欠压而复位。对于直流电源的输入端口则也需选取I2T值(标称熔断值)较大的器件，以防止被冲击电流损坏，如保险丝、MOSFET(Metallic Oxide Semiconductor FieldEffect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管，简称MOS管)等，由此可见单板热插拔时，缓启动电路的作用尤为重要。
目前现有的直流电源缓启动电路主要有两种类型：一种采用分立元件搭接，如图1所示：分立元件包括电阻R1、R2，稳压二极管VD1、电容C1、M1(MOSFET)等，当端口上电时，输入电压Vin经R1、R2分压后开始对C1充电，C1上逐渐建立的电压，达到M1开启电压以后，M1缓慢导通，可近似认为工作在线性区，通过较大的导通电阻来抑制冲击电流，C1充电完毕后，M1完全导通，完成缓启过程。这种缓启方式的瞬间冲击能量完全消耗在M1上，常用的通信电源缓启MOSFET能承受的瞬间功耗为300W，当直流电源输入端口电容容值较大时，产生的瞬间冲击能量则很容易造成M1的雪崩击穿。如图2所示，当直流电源端口电容C3容值为1000uF时，Vin输入为60V时，M1承受的瞬间冲击功耗超过300W，很容易被击穿；另一种类型采用专用热插拔集成控制芯片实现，可以解决分立模拟元件参数漂移的缺点，但其实现成本较高。
现有的专利文献包括：专利申请号为CN200810006443.6的中国专利“一种直流电源缓启动控制电路”和专利号为CN200610057942.9的中国专利“一种直流电源缓启动电路”。
第CN200810006443.6号中国专利存在以下不足：一、当缓启动之后的电容值较大，特别是在高压输入时，冲击电流较大，瞬时冲击能量全损耗在缓启MOSFET上，经试验验证很容易造成MOSFET雪崩击穿；二、上电瞬间，M1漏源极瞬间电压应力较大，不便于MOSFET的经济选型。
第CN200610057942.9号中国专利存在以下不足：一、上电瞬间MOSFET栅源极驱动电压Vgs存在掉电重启现象，且造成Vgs平台效应的电容在高、低温环境中参数离散型较大；二、Vgs平台效应持续时间较长时，虽能很好的抑制冲击电流，但当后级DC/DC变换器上电较快，需抽大电流维持工作，此时MOSFET未完全开通，DS间压降较大，易造成变换器因输入欠压而导致其输出掉电，未能抑制DC/DC变换器建立时间过快也正是该专利的缺点。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种直流电源缓启动控制电路和控制方法，以解决现有分立元件特性参数漂移、被控电路上电过快导致变换器输出掉电、以及电源端口电容容值较大时导致MOS管雪崩击穿的问题。
本发明提供一种直流电源热插拔缓启动控制电路，包括，分立元件缓启动电路、功率电阻电路、MOS管漏源极检测电路，其中：
所述功率电阻电路，并联于所述分立元件缓启动电路的MOS管源极、漏极之间；
所述MOS管漏源极检测电路与所述功率电阻电路、分立元件缓启动电路相连，用于检测所述功率电阻电路的电压值，当所述电压值在设定值范围内时，使所述分立元件缓启动电路的MOS管导通；当所述电压值超出所述设定值范围时，使所述分立元件缓启动电路的MOS管截止。
进一步的，上述电路还可具有以下特点，所述直流电源热插拔缓启动控制电路还包括使能控制电路，所述使能控制电路与所述MOS管栅极连接，用于在所述分立元件缓启动电路的MOS管完成导通后，产生使能信号，启动被控电路；否则，不启动所述被控电路。
进一步的，上述电路还可具有以下特点，所述使能控制电路包括，一个光耦和电阻(R6)，所述光耦一次侧阳极与所述MOS管栅极之间串联电阻(R6)，阴极与所述MOS管源极连接。
进一步的，上述电路还可具有以下特点，所述使能控制电路包括光耦、第二稳压二极管、电阻(R6)，所述第二稳压二极管与电阻(R6)串联在所述光耦一次侧阳极与所述MOS管栅极之间，所述光耦一次侧阴极与MOS管源极相连。
进一步的，上述电路还可具有以下特点，所述使能控制电路包括，一个三极管和电阻(R6)，所述三极管基极与所述MOS管栅极之间串有电阻(R6)，所述三极管基极与所述MOS管栅极相连，发射极与所述MOS管漏极连接。
进一步的，上述电路还可具有以下特点，所述使能控制电路包括三极管、第二稳压二极管、电阻(R6)，所述三极管基极与所述MOS管栅极之间串联有第二稳压二极管与电阻(R6)，发射极与所述MOS管漏极连接。
进一步的，上述电路还可具有以下特点，所述MOS管漏源极检测电路包括分压单元、电阻(R7)和第一三极管，其中：
所述分压单元包括第一分压模块和第二分压模块，所述第一分压模块包括一个或多个串联电阻，所述第二分压模块包括一个或多个串联电阻；所述第一分压模块和第二分压模块串联后并联在所述MOS管源极和漏极之间；
所述第一三极管基极与所述第一分压模块和第二分压模块的连接点相连，发射极与所述MOS管的源极相连，集电极通过电阻(R7)与所述MOS管的栅极相连。
进一步的，上述电路还可具有以下特点，所述MOS管漏源极检测电路还包括电容(C2)，与所述第二分压模块并联。
本发明还提供一种直流电源热插拔缓启动控制方法，包括：
监测功率电阻电路电压，当所述功率电阻电压低于设定安全值时，使分立元件缓启动电路的MOS管导通；当所述电压值超出所述设定值范围时，使所述分立元件缓启动电路的MOS管截止。
进一步的，上述方法还可具有以下特点，所述缓启动电路启动前，使能控制电路不启动被控电路，所述缓启动电路启动后，所述使能控制电路发出使能信号，启动所述被控电路。
与现有技术相比较，本发明引入的直流电源缓启动控制电路、实现成本较低、电路简洁、功能全面不必受模拟分立元件在高、低温环境中特性参数漂移的影响，电源端口电容容值较大时产生的大冲击能量只有小部分消耗在MOS上，可有效避免MOS被雪崩击穿，同时能有效降低MOS漏源极电压应力，便于其经济选型，另外还可解决因缓启动时间较长造成被控电路输出掉电重启现象。
附图说明
图1是常用的分立元件缓启动电路图；
图2是采用图1所示的电路，电源端口电容容值为1000uF，60V输入电压下，测出的M1漏源极电压CH1、冲击电流和瞬时功耗的波形图Pm；
图3是本发明实施例1电路图；
图4是本发明实施例2电路图；
图5是本发明实施例3电路图；
图6是本发明控制方法的流程图；
图7是采用图4所示的电路，电源端口电容容值为1000uF，60V输入电压下，测出的M1漏源极电压、冲击电流和瞬时功耗的波形图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的直流电源缓启动控制电路实施方案进行说明。
本发明提供一种直流电源热插拔缓启动控制电路，包括，分立元件缓启动电路，功率电阻电路、MOS管漏源极检测电路，其中：
所述功率电阻电路，并联于所述分立元件缓启动电路的MOS管源极、漏极之间；
所述MOS管漏源极检测电路与所述功率电阻电路、分立元件缓启动电路相连，用于检测所述功率电阻电路的电压值，当所述电压值在设定值范围内时，使所述分立元件缓启动电路的MOS管导通；当所述电压值超出所述设定值范围时，使所述分立元件缓启动电路的MOS管截止。
所述直流电源热插拔缓启动控制电路还包括使能控制电路，所述使能控制电路与所述MOS管栅极连接，用于在所述分立元件缓启动电路的MOS管完成导通后，产生使能信号，启动被控电路；否则，不启动所述被控电路。
具体电路结构参见实施例1、2、3。
实施例1
如图3所示，本发明所述直流电源缓启动控制电路包括分立元件缓启动电路、功率电阻电路、MOS管漏源极检测电路。其中：
所述分立元件缓启动电路包括MOS管M1，电阻R1、R2，电容C1，稳压二极管VD1；其中，R1、R2构成分压电路，串联在电源正负输入端之间，VD1和C1并联在R1和R2的连接点与电源负输入端之间，MOS管M1的栅极与电阻R1和R2的连接点相连，源极与电源负输入端相连。
所述功率电阻电路包括电阻R3，所述电阻R3连接在所述MOS管M1的源极和漏极之间；也可包括多个电阻，电阻值等效为R3。
所述MOS管漏源极检测电路包括电阻R4、R5、R7，三极管VT1、电容C2，所述电阻R4、R5串联后与R3并联，构成分压电路，所述三极管VT1基极连接于R4、R5之间的连接点，发射极连接于R5的另一端，集电极与电阻R7相连，电阻R7的另一端与R1、R2的连接点相连。所述C2与电阻R5并联。
在直流电源端口上电时，此时VR3＝Vin-Vc3-Vr，Vc3是电解电容C3电压，Vr是输入端口处线路阻抗电压，上电瞬间，dt→0，Vc3≈0，Vr非常小，VR3近似为最大值Vin。VR3经过电阻R4、R5分压后驱动VT1三极管导通，随着电解电容C3缓慢充电，Vc3电压增大，VR3逐渐降低，经R4、R5分压后的电压小于三极管VT1驱动电压门槛值时，三极管VT1截止。
在VT1导通时，VT1导通后将M1的栅极、源极间电压Vgs拉至低电平，禁止上电瞬间M1导通，分立元件缓启动电路被短路；在VT1截止后，直流电源端口通过R1对C1充电，C1上建立的电压Vc1近似于线性上升，驱动M1缓慢导通，逐渐完成缓启动过程。
优选地，通过R4、R5参数优化，使得VR3降至10％Vin时，VT1截止。10％仅为示例，可以根据需要设置。
当端口输入电压过大时，稳压二极管VD1将MOS管M1的栅极、源极间电压Vgs稳定在M1能够接受的电压范围内。由于M1缓启动过程中只承担了10％Vin电压产生的冲击电流，能量非常小，所以不会引起M1雪崩击穿。
实施例2
如图4所示，本发明所述直流电源缓启动控制电路包括分立元件缓启动电路、功率电阻电路、MOS管漏源极检测电路。
所述分立元件缓启动电路由MOS管M1，电阻R1、R2，电容C1，稳压二极管VD1组成；所述功率电阻电路由电阻R3构成；所述MOS管漏源极检测电路由电阻R4、R5、R7，三极管VT1、电容C2构成，所述电阻R4、R5串联与R3并联，构成分压电路，所述三极管VT1基极连接于R4、R5之间的连接点，发射极连接于R5的另一端，集电极与电阻R7相连，电阻R7的另一端与R1、R2的连接点相连。
本实施例中，所述直流电源缓启动控制电路还包括一个使能控制电路。
所述使能控制电路的一种实现方式为：所述使能控制电路包括，一个光耦和电阻R6，所述光耦一次侧阳极与所述MOS管栅极之间串联电阻R6，阴极与所述MOS管源极连接。光耦输出端与被控电路相连。
所述使能控制电路的另一种实现方式为：所述使能控制电路包括光耦、稳压二极管、电阻R6，所述光耦一次侧阳极与所述MOS管M1栅极之间串联有稳压二极管与电阻R6，所述光耦一次侧阴极与MOS管源极相连。光耦输出端与被控电路相连。
所述使能控制电路与所述MOS管M1栅极连接，用于接收所述分立元件缓启动电路的缓启动结束信号，控制使能端。
在直流电源端口上电时，VR3＝Vin-Vc3-Vr，Vc3是电解电容C3电压，Vr是输入端口处线路阻抗电压，上电瞬间，dt→0，Vc≈0，Vr非常小，VR3近似为最大值Vin。VR3经过电阻R4、R5分压后驱动VT1三极管导通，VT1导通后将M1的Vgs拉至低电平，禁止上电瞬间M1导通。随着电解电容在缓慢充电时，Vc3电压增大，VR3逐渐降低，经R4、R5分压后的电压小于三极管VT1驱动电压门槛值时，三极管VT1截止。在VT1导通时，分立元件缓启动电路被短路；在VT1截止后，直流电源端口通过R1对C1充电，C1上建立的电压Vc1近似于线性上升，驱动M1缓慢导通，逐渐完成缓启动过程。
当M1缓慢导通，Vgs超过稳压二极管VD2门槛值后，逐渐驱动光耦一次侧导通，产生启动使能信号ss_ok，避免在缓启动完成之前，被控电路因输入欠压而掉电。
实施例3
如图5所示，本发明所述直流电源缓启动控制电路包括分立元件缓启动电路、功率电阻电路、MOS管漏源极检测电路。
所述分立元件缓启动电路由MOS管M1，电阻R1、R2，电容C1，稳压二极管VD1组成；所述功率电阻电路由电阻R3构成；所述MOS管漏源极检测电路由电阻R4、R5、R7，三极管VT1、电容C2构成，所述电阻R4、R5串联构成分压电路，所述三极管VT1与R5并联，其基极连接于R4、R5之间的连接点，发射极连接于R5的另一端。
本实施例中，所述直流电源缓启动控制电路还包括一个使能控制电路。
所述使能控制电路的一种实现方式为：所述使能控制电路包括三极管VT2和电阻R6，所述三极管VT2基极与所述MOS管栅极之间串有电阻R6，发射极与所述MOS管漏极相连，集电极与被控电路相连。
所述使能控制电路的另一种实现方式为：所述使能控制电路包括三极管VT2，稳压二极管VD2和电阻R6，其中，所述三极管VT2基极与所述MOS管栅极之间串联有稳压二极管VD2与电阻R6，发射极与所述MOS管漏极相连，集电极与被控电路相连。
在直流电源端口上电时，此时VR3＝Vin-Vc3-Vr，Vc3是电解电容C3电压，Vr是输入端口处线路阻抗电压，上电瞬间，dt→0，Vc3≈0，Vr非常小，VR3近似为最大值Vin。VR3经过电阻R4、R5分压后驱动VT1三极管导通，VT1导通后将M1的Vgs拉至低电平，禁止上电瞬间M1导通。随着电解电容在缓慢充电时，Vc3电压增大，VR3逐渐降低，经R4、R5分压后的电压小于三极管VT1驱动电压门槛值时，三极管VT1截止导通。在VT1导通时，分立元件缓启动电路被短路；在VT1截止导通后，直流电源端口通过R1对C1充电，C1上建立的电压Vc1近似于线性上升，驱动M1缓慢导通，逐渐完成缓启动过程。
当M1缓慢导通，Vgs超过稳压二极管VD2门槛值后，逐渐三极管VT2导通，产生启动使能信号ss_ok，避免在缓启动完成之前，被控电路因输入欠压而掉电。
如图6所述，本发明还提出一种直流电源热插拔缓启动控制方法，包括：
S601监测功率电阻电压，当所述电压值超出所述设定值范围时，使所述分立元件缓启动电路的MOS管截止，当所述功率电阻电压低于设定安全值时，MOS管漏源极检测电路的三极管截止，分立元件缓启动电路启动；
S603所述分立元件缓启动电路启动后，驱动MOS管导通，MOS管导通后，其源栅极间电压达到启动使能控制电路的阀值，启动使能控制电路；
S605所述使能控制电路，发出使能信号，使被控电路启动。
其中，在所述缓启动电路启动前，使能控制电路不发出使能信号，不启动被控电路。
如图7所示，为采用图4所示的本发明的缓启动电路产生的测试波形，Vds为MOS管M1漏源极电压波形，Id为直流电源端口输入电流波形，Pm为Vds与Id积分的瞬时功率波形，整个缓启动过程分为三个阶段：
T1～T2阶段：MOS管M1未开始工作，端口瞬时冲击能量主要消耗在功率电阻上，随着电解电容C2充电电压的建立，冲击电流逐渐减小；
T2～T3阶段：MOS管M1漏源极电压监测电路检测到VR电压降低到10％Vin电压时，开始驱动VT1导通，分立元件缓启动电路开始工作，此阶段的冲击电流尖峰为10％Vin电压产生的，能量较小，主要消耗在MOS管M1上。
T3～T4阶段：MOS管M1完全导通时后，DC/DC变换器收到使能信号后，启动工作阶段。
从以上的描述中，可以看出，本发明实现了如下技术效果：
采用本发明实施例提供的电路或方法，在直流电源缓启动控制电路中，有效解决了分立元件在高、低温环境中特性参数漂移的影响，电源端口电容容值较大时产生的大冲击能量只有小部分消耗在MOS管上的问题，可有效避免MOS管被雪崩击穿，同时能有效降低MOS管漏源极电压应力，便于其经济选型，另外还可解决因缓启动时间较长造成被控电路输出掉电重启现象。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，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保护范围之内。
Claims (8)
1.一种直流电源热插拔缓启动控制电路，包括，分立元件缓启动电路，其特征在于，还包括：功率电阻电路、MOS管漏源极检测电路，其中：
所述功率电阻电路，并联于所述分立元件缓启动电路的MOS管源极、漏极之间；
所述MOS管漏源极检测电路与所述功率电阻电路、分立元件缓启动电路相连，用于检测所述功率电阻电路的电压值，当所述电压值在设定值范围内时，使所述分立元件缓启动电路的MOS管导通；当所述电压值超出所述设定值范围时，使所述分立元件缓启动电路的MOS管截止；
所述MOS管漏源极检测电路包括分压单元、电阻R7和第一三极管，其中：
所述分压单元包括第一分压模块和第二分压模块，所述第一分压模块包括一个或多个串联电阻，所述第二分压模块包括一个或多个串联电阻；所述第一分压模块和第二分压模块串联后并联在所述MOS管源极和漏极之间；
所述第一三极管基极与所述第一分压模块和第二分压模块的连接点相连，发射极与所述MOS管的源极相连，集电极通过电阻R7与所述MOS管的栅极相连。
2.如权利要求1所述直流电源热插拔缓启动控制电路，其特征在于，所述直流电源热插拔缓启动控制电路还包括使能控制电路，所述使能控制电路与所述MOS管栅极连接，用于在所述分立元件缓启动电路的MOS管完成导通后，产生使能信号，启动被控电路；否则，不启动所述被控电路。
3.如权利要求2所述直流电源热插拔缓启动控制电路，其特征在于，所述使能控制电路包括，一个光耦和电阻R6，所述光耦一次侧阳极与所述MOS管栅极之间串联电阻R6，所述光耦一次侧阴极与所述MOS管源极连接，所述光耦二次侧的一端输出使能信号，所述光耦二次侧的另一端与所述MOS管漏极连接。
4.如权利要求2所述直流电源热插拔缓启动控制电路，其特征在于，所述使能控制电路包括光耦、第二稳压二极管、电阻R6，所述第二稳压二极管与电阻R6串联在所述光耦一次侧阳极与所述MOS管栅极之间，所述光耦一次侧阴极与MOS管源极相连，所述光耦二次侧的一端输出使能信号，所述光耦二次侧的另一端与所述MOS管漏极连接。
5.如权利要求2所述直流电源热插拔缓启动控制电路，其特征在于，所述使能控制电路包括，一个第二三极管和电阻R6，所述第二三极管基极与所述MOS管栅极之间串有电阻R6，所述第二三极管基极与所述MOS管栅极相连，发射极与所述MOS管漏极连接。
6.如权利要求2所述直流电源热插拔缓启动控制电路，其特征在于，所述使能控制电路包括第三三极管、第二稳压二极管、电阻R6，所述第三三极管基极与所述MOS管栅极之间串联有第二稳压二极管与电阻R6，发射极与所述MOS管漏极连接。
7.如权利要求6所述直流电源热插拔缓启动控制电路，其特征在于，所述MOS管漏源极检测电路还包括电容C2，与所述第二分压模块并联。
8.一种直流电源热插拔缓启动控制方法，其特征在于：
监测功率电阻电路中功率电阻电压，当所述功率电阻电压低于设定安全值时，使分立元件缓启动电路的MOS管导通；当所述电压值超出所述设定值范围时，使所述分立元件缓启动电路的MOS管截止；
所述缓启动电路启动前，使能控制电路不启动被控电路，所述缓启动电路启动后，所述使能控制电路发出使能信号，启动所述被控电路；
所述功率电阻电路，并联于所述分立元件缓启动电路的MOS管源极、漏极之间。
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