CN103915996A - 一种直流电源缓启动控制电路及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种直流电源缓启动控制电路及控制方法，该控制电路包括串接在负RTN电压输入端上的缓启动场效应管以及连接在正电压输入端和负电压输入端之间的输出电容，还包括预充电电路和检测及控制电路，预充电电路并联在缓启动场效应管的源极和漏极之间，用于给输出电容预充电，检测及控制电路的输出端与缓启动场效应管相连，用于根据检测到的缓启动场效应管的源极和漏极之间的电压(DS电压)来控制缓启动场效应管的导通和截止。本发明的有益效果是：在直流电源频繁热插拔的过程中，能够极大地减小冲击电流，进而极大地减小冲击电流对系统的影响，保证系统安全稳定地工作。

Description

一种直流电源缓启动控制电路及控制方法

技术领域

本发明涉及电子电路领域，更具体地，涉及一种直流电源缓启动控制电路及控制方法。 

背景技术

通讯系统的高可靠性要求，要求电源板等接入电源设备需要支持热插拔功能，而在热插拔过程中产生的较大的冲击电流会导致电子设备产生一系列的故障，另外，由于目前电源口处因雷击的需要，输出电容的容量变得越来越大，这也是导致冲击电流较大的因素。实验表明，故障基本出现在以下几个方面： 

1)后端部分具有欠压保护的器件会启动保护，导致输出电压降低或者电路复位等，比如具有欠压保护功能的模块在冲击电流较大时导致模块输入电压触发欠压保护，造成模块无输出。 

2)受到长时间较大的冲击电流的冲击，导致快速保险丝熔断，经常需要加大保险丝的容量。 

3)在输入端很大的电流冲击下，会导致接插件打火和氧化。 

目前常用的缓启动的传统方案采用通过RC延时稳压的方式来控制场效应管VT3的栅极电压，使得场效应管VT3缓慢开启进而减小冲击电流，如图1和图2所示，这种方式存在着很明显的不足，在输出电容较小的场合，要求较低的场合可以一定程度上能够减小冲击电流的大小，但是由于实际应用中输出电容的容量越来越大，而且不同的场效应管VT3的参数差异性也较大，导致现在常用的传统方案在实际应用中效果不理想。 

发明内容

为解决上述所述的技术缺陷，本发明提供一种直流电源缓启动控制电路及控制方法，目的在于，在直流电源频繁热插拔的过程中，能够极大地减小冲击电流，进而极大地减小冲击电流对系统的影响，保证系统安全稳定地工作。 

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案： 

一种直流电源缓启动控制电路，包括串接在负电压输入端上的缓启动场效应管以及连接在正电压输入端和负电压输入端之间的输出电容，还包括： 

预充电电路，其并联在缓启动场效应管的源极S和漏极D之间，用于给输出电容预充电； 

检测及控制电路，其控制输出端与缓启动场效应管相连，用于根据检测到的缓启动场效应管的源极和漏极之间的电压(DS电压)来控制缓启动场效应管的导通和截止。 

优选地，预充电电路包括并联在缓启动场效应管的源极S和漏极D之间的预充电电阻。 

优选地，检测及控制电路包括： 

检测模块，用于检测DS电压，输出与DS电压关联的一检测电压； 

控制模块，用于根据检测电压，输出一个控制缓启动场效应管导通和截止的控制电压。 

优选地，检测模块包括分压单元和稳压单元，分压单元的两端分别连接到缓启动场效应管的源极和漏极，将分压单元的分压电压作为输出的检测电压；稳压单元连接在检测电压的两端之间。 

优选地，控制模块包括三极管，三极管的集电极与缓启动场效应管的栅极相连，三极管的发射极与缓启动场效应管的源极相连，三极管的基极与分压节点相连。 

优选地，三极管工作在电流型控制模式或电压型控制模式；电流型控制模式为控制三极管工作在放大状态，随着DS电压的增大，GS电压变小；电压型控制模式为控制三极管工作在饱和状态，DS电压使三极管导通时，缓启动场效应管截止，DS电压使三极管截止时，缓启动场效应管导通。 

优选地，的缓启动控制电路还包括： 

缓启动电容，其连接在缓启动场效应管的栅极G和源极S之间。 

一种直流电源缓启动控制方法，包括： 

系统上电，通过并联在缓启动场效应管的漏极D和源极S之间的预充电电路给输出电容预充电； 

根据检测到的缓启动场效应管的源极和漏极之间的电压(DS电压)，控制缓启动场效应管的导通和截止。 

优选地，预充电完成后，导通缓启动场效应管，缓启动完成。 

优选地，通过控制一三极管的工作状态来控制缓启动场效应管的导通或截止。 

优选地，控制三极管工作在放大状态，随着DS电压的增大，GS电压变小；控制三极管工作在饱和状态，DS电压使三极管导通时，缓启动场效应管截止，DS电压使三极管截止时，缓启动场效应管导通。 

本发明由于采取以上所述的技术方案，其包括以下优点：对输出电容预充电，预充电完成后再开启场效应管，这样减小了冲击电流对场效应管的冲击，进而极大地减小冲击电流对系统的影响。 

附图说明

在此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，本发明的示例性的实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的限制；在附图中： 

图1是现有技术的缓启动电路的原理框图。 

图2是现有技术的缓启动电路的电路图。 

图3是本发明实施例的缓启动控制电路的原理框图。 

图4是本发明实施例的缓启动控制电路的电路图。 

图5A-5C是本发明电流型控制模式的测试波形图，其中，图5A是Vgs 与Vds关系图；图5B是Vgs-Vout测试图；图5C是Vgs-Vds测试图。 

图6A-B是本发明电压型控制模式的测试波形图，其中，图6A是Vgs-Vout测试图，图6B是Vgs-Vds测试图。 

具体实施方式

为了使本发明的技术方案更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的各种方式可以相互组合。 

图1和图2是目前常用的缓启动电路的原理框图和电路图。该方案是使绝缘栅场效应管VT1由夹断区经由恒流区向欧姆区切换，场效应管VT3等效为一个直流电阻来抑制冲击电流，实现缓启动的目的。 

图3和图4是本发明实施例的缓启动控制电路的原理框图和电路图， 

如图3、4所示，一种缓启动控制电路包括防反接电路FU1、电阻R7、R5、电容C2、串接在负RTN电压输入端上的缓启动场效应管VT3以及连接在正VIN电压输入端和负RTN电压输入端之间的输出电容Cout，还包括： 

预充电电路，其并联在缓启动场效应管VT3的源极S和漏极D之间，用于给输出电容Cout预充电； 

检测及控制电路，其控制输出端与缓启动场效应管VT3相连，用于根据检测到的缓启动场效应管VT3的源极和漏极之间的电压(DS电压)来控制缓启动场效应管VT3的导通和截止。 

可选择地，预充电电路可以包括并联在缓启动场效应管VT3的源极S和漏极D之间的预充电电阻R9。 

可选择地，检测及控制电路可以包括： 

检测模块，用于检测DS电压，输出与DS电压关联的一检测电压； 

控制模块，用于根据检测电压，输出一个控制缓启动场效应管导通和截止的控制电压。 

可选择地，检测模块可以包括分压单元和稳压单元，分压单元的两端分别连接到缓启动场效应管的源极S和漏极D，将分压单元的分压电压作为输出的检测电压；稳压单元连接在检测电压的两端之间，稳压单元可以由电容 C1组成，电容C1一端接入该分压节点，另一端接入缓启动场效应管VT3的源极S。 

可选择地，控制模块可以包括三极管VT2，三极管VT2的集电极与缓启动场效应管VT3的栅极相连，三极管VT2的发射极与缓启动场效应管VT3的源极相连，三极管VT2的基极与DS电压的分压节点相连。 

可选择地，缓启动控制电路还可以包括缓启动电容C2，其连接在缓启动场效应管VT3的栅极G和源极S之间。 

可选择地，缓启动场效应管VT3可以是N沟道绝缘栅场效应管，三极管VT2可以是NPN型三极管。 

本发明实施例的直流电源缓启动控制方法的基本步骤，包括： 

第一步：系统上电，通过并联在场效应管VT3DS间的预充电电阻给输出电容预充电； 

第二步：根据检测到的场效应管VT3的DS电压来控制三极管VT2工作在放大区进而线性控制场效应管VT3的驱动电压(GS电压)； 

第三步：当预充电完成后，三极管VT2截止，场效应管VT3驱动电压达到稳态，场效应管VT3导通，电流路径由电阻切换到场效应管VT3，缓启动完成。 

控制原理分析如下： 

可以看出，第一步时，并联电阻R9之后，缓启动输出电容C上的电压V_out＝Vin-I₁*(R9+R_线阻)，即冲击电流I₁＝(Vin-V_out)/(R9+R_线阻)，而输出电容C上的电压V_out不能突变，所以开机瞬间V_out→0，冲击电流I₁＝Vin/(R9+R_线阻)，R _线阻是毫欧级的，近似于0，当R9→0时，冲击电流会非常大，所以我们只要通过调节R9的阻值即可实现降低冲击电流的目的。 

当输出电容C上的电压V_out基本上充满时，导通场效应管VT3，此时流经场效应管VT3的电流I₂＝(Vin-V_out)/(R_DS+R_线阻)，在完成第一步的预充电后，V_out＝Vin，I₂＝0，所以在起机这个过程中对于系统，冲击电流得到了极大地减小，而对于场效应管VT3的冲击也大大减小。 

而在整个过程中，通过检测场效应管VT3的DS间电压来控制导通三极 管VT2进而控制场效应管VT3导通是关键，可以参考图3，在预充电完成后，场效应管VT3导通几乎没有什么冲击电流，因为只要DS间还有一定的压差，场效应管VT3是无法导通的，这样可以极大地减小场效应管VT3在较大DS压差下瞬间导通产生的较大的冲击电流，可以保证输出电压的稳定，而且可以保护场效应管VT3。 

场效应管VT3的DS间电压与GS电压控制模式有2种控制模式电流型和电压型 

1)电流型：电流型的控制模式是让三极管VT2工作在放大状态，Vds和Vgs之间的比例关系式可列如下： 

三极管基极电流I_b＝(V_ds*R3/(R3+R4)-0.7)/R5； 

集电极电流I_c＝I_b*hFE，其中，hFE为电流放大系数； 

可以得到场效应管VT3上的栅源极电压V_GS＝Vcc-R7*I_c＝Vcc-(V_ds*R3/(R3+R4)-0.7)*R7*hFE/R5；可以简化公式得到一个关系式即V_GS＝V₀-αV_ds；即V_ds和V_GS是有一个负的比例关系的。即Vds大时，Vgs小；Vds小时，Vgs大。可以实现减小场效应管VT3冲击电流的目的。大体的关系可参考图5A-C。 

2)电压型：电压型的控制模式是让三极管VT2工作在饱和状态，可以通过增加R7的方式实现。增大R7，当计算值VGS＝Vcc-R7*Ic≤0时，三极管处于饱和态。Vds分压大于VT2-Vbe开启电压，缓启动场效应管VT3处于关闭状态，Vds分压小于VT2-Vbe开启电压，缓启动场效应管VT3VT3就会开启。通过这种方式就可以控制场效应管VT3开启时间。测试波形如图6A-B所示。 

电流控制模式和电压控制模式各有优势，电压型控制简单，容易设计，电流型控制可以分担R9的开机冲击功率，对比上面2组Vds图可以明显看出电流型Vds冲击较小。 

本发明根据检测到的场效应管VT3的DS电压来控制三极管VT2使其工作在放大区，进而线性控制场效应管VT3的驱动电压(GS电压)，当DS电压大时，GS电压(栅极与源极之间的电压)很小，当DS电压小时，GS电 压很大。当预充电完成，DS电压变得近乎为零时，开启场效应管VT3能够极大地减小冲击电流，极大地减小了对场效应管VT3的冲击损耗。 

与现有技术相比，本发明能够有效地根据检测到的场效应管VT3的状态来控制场效应管VT3开启时间、开启电压，选择最合适的状态开启，增加了反馈机制保证功率场效应管VT3在安全范围内开启，且开启时间调整方便，应用广泛。 

以上所述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围，本领域的技术人员可以刻意对本发明进行各种修改和变型而不偏离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些修改和变型在内。 

Claims (11)

1.一种直流电源缓启动控制电路，包括串接在负电压输入端上的缓启动场效应管以及连接在正电压输入端和所述负电压输入端之间的输出电容，其特征在于，包括：

预充电电路，其并联在所述缓启动场效应管的源极S和漏极D之间，用于给所述输出电容预充电；

检测及控制电路，其控制输出端与所述缓启动场效应管相连，用于根据检测到的所述缓启动场效应管的源极和漏极之间的电压(DS电压)来控制所述缓启动场效应管的导通和截止。

2.根据权利要求1所述的缓启动控制电路，其特征在于：

所述预充电电路包括并联在所述缓启动场效应管的源极S和漏极D之间的预充电电阻。

3.根据权利要求2所述的缓启动控制电路，其特征在于：所述检测及控制电路包括：

检测模块，用于检测所述DS电压，输出与DS电压关联的一检测电压；

控制模块，用于根据所述检测电压，输出一个控制所述缓启动场效应管导通和截止的控制电压。

4.根据权利要求3所述的缓启动控制电路，其特征在于：

所述检测模块包括分压单元和稳压单元，所述分压单元的两端分别连接到所述缓启动场效应管的源极和漏极，将所述分压单元的分压电压作为输出的所述检测电压；

所述稳压单元连接在所述检测电压的两端之间。

5.根据权利要求4所述的缓启动控制电路，其特征在于：

所述控制模块包括三极管，所述三极管的集电极与所述缓启动场效应管的栅极相连，所述三极管的发射极与所述缓启动场效应管的源极相连，所述三极管的基极与所述分压节点相连。

6.根据权利要求5所述的缓启动控制电路，其特征在于：

所述三极管工作在电流型控制模式或电压型控制模式；

所述电流型控制模式为控制所述三极管工作在放大状态，随着所述DS电压的增大，所述GS电压变小；

所述电压型控制模式为控制所述三极管工作在饱和状态，所述DS电压使所述三极管导通时，所述缓启动场效应管截止，所述DS电压使所述三极管截止时，所述缓启动场效应管导通。

7.根据权利要求1所述的缓启动控制电路，其特征在于，包括：

缓启动电容，其连接在所述缓启动场效应管的栅极G和源极S之间。

8.一种直流电源缓启动控制方法，包括：

系统上电，通过并联在缓启动场效应管的漏极D和源极S之间的预充电电路给输出电容预充电；

根据检测到的所述缓启动场效应管的源极和漏极之间的电压(DS电压)，控制所述缓启动场效应管的导通和截止。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：

预充电完成后，导通所述缓启动场效应管，缓启动完成。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：

通过控制一三极管的工作状态来控制所述缓启动场效应管的导通或截止。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：

控制所述三极管工作在放大状态，随着所述DS电压的增大，所述GS电压变小；

控制所述三极管工作在饱和状态，所述DS电压使所述三极管导通时，所述缓启动场效应管截止，所述DS电压使所述三极管截止时，所述缓启动场效应管导通。