CN203617899U - 改进型快速放电和恒流充电的缓启动装置 - Google Patents
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Abstract
改进型快速放电和恒流充电的缓启动装置，设置在供电电源和主体单元之间，包括充电放电单元、保护单元、开关单元和负载单元。充电放电单元A接口连接供电电源正极，B接口连接供电电源负极，C接口连接保护单元1接口；开关单元为一大电流场效应管Q1，栅极G连接供电电源负极，漏极D连接保护单元3接口，源极S分别连接保护单元4接口、负载单元B接口和主体单元B接口；保护单元5接口连接供电电源正极，2接口连接供电电源负极；负载单元A接口连接供电电源正极和主体单元A接口。其特征在于，充电放电单元由恒流源充电单元和快速放电单元构成。恒流充电控制Q1线性导通，显著降低了器件的功耗；快速放电提高了板卡稳定性，并保护供电电源。
Description
技术领域
本实用新型涉及直流电子设备缓启动装置，尤其与一种改进型快速放电和恒流充电的缓启动装置的结构有关。
背景技术
在通信、工业等直流电子设备中，为了实现板卡的热插拔，需要在板卡之间加入缓启动电路，以防止各板卡在上电时，由于瞬间上电冲击造成电压瞬间跌落，影响工作稳定性。
针对此，以前有技术人员采用热敏电阻之类器件，使输入电流缓慢增长，但该方案抑制电流增速效果非常小，应用性差；也有技术人员在电路中串入MOS管，通过缓冲电路控制MOS管GS间电压上升，缓步打开MOS管，但该方案是以MOS管的大量热耗为代价的，且不足以抑制大容量储能单元时的电冲击电流。
现有也有技术人员，采用RC充放回路来实现缓启动，技术情况如附图1所示。缓启动装置包括R1和C1组成的RC充电放电单元，保护单元，开关单元Q1，负载单元。V1供电电源接通后，通过R1、C1充电，Q1的Vgs电压从0开始缓慢上升，Q1从截至状态逐渐过渡到导通状态。V1电源断开后，C1的电压通过R1放电，Q1的Vgs电压逐渐降低到0V。Q1饱和状态恢复到截至状态。在充电过程，电容的上升电压速度受电源电压V1的影响大，也就影响Q1的功耗损耗和开机延迟时间：
(1)在额定电压48V输入时，Q1的最大电流17A，最大功耗373W，缓启动时间14mS。
(2)当输入电压V1上升到72V时，Q1的最大电流28.7A，最大功耗972W，缓启动时间11mS。
(3)在输入电压V1降低到36V时，Q1的最大电流12A，最大功耗188W，缓启动时间18mS。
可以看到，在不同的输入电压，Q1的功耗相差很大。输入电压从36V增加到72V，功耗从188W增加到972W。输入电压变化2倍，功耗变化5.1倍。RC充电电流是非线性变化，属于抛物线曲线，从截至到导通过程是一段时间快，一段时间慢，功耗就会增加。在放电过程，由于电阻放电，放电时间很慢。如果还没有放电完成，电源V1重现加电接通，此时整过电路失效。电容放电完成时间大约8mS。若果电源V1在很短时间内重复上电和断电，整个电路将失效。当供电电源由于各种原因关闭后再启动。如果电路没有改进，缓启动电路没有复位，处于一直导通状态，负载板卡对供电电源有直接影响，会导致供电电源启动不成功。
因此，需要加以改进，降低功率器件的功耗，提高板卡工作稳定性，保护供电电源。
发明内容
本实用新型提供一种改进型快速放电和恒流充电的缓启动装置，以解决上述现有技术的不足。
为了实现本实用新型的目的，拟采用以下技术：
改进型快速放电和恒流充电的缓启动装置，设置在供电电源和主体单元之间，包括充电放电单元、保护单元、开关单元和负载单元，其中：
所述充电放电单元A接口连接供电电源正极，B接口连接供电电源负极，C接口连接保护单元1接口；
所述开关单元包括一个大电流场效应管Q1，其栅极G连接供电电源负极，漏极D连接保护单元3接口，源极S分别连接保护单元4接口、负载单元B接口和主体单元B接口；
所述保护单元5接口连接供电电源正极，2接口连接供电电源负极；
所述负载单元A接口连接供电电源正极和主体单元A接口；
其特征在于：所述充电放电单元由恒流源充电单元和快速放电单元构成。
进一步，所述恒流源充电单元，由电压基准和误差放大器件U2、电流输出执行器件Q4、U2供电电阻R9、电流采样电阻R10和电容C1构成。
进一步，所述快速放电单元，由电压基准和误差放大器件U1、快速放电自锁回路Q2、快速放电自锁回路Q3、电平偏移抬升二极管Z2、U1供电电阻R7、输入电压分压电阻R1、输入电压分压电阻R6和电容C1构成。
进一步，所述保护单元，由稳压二极管Z1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和电容C2构成。
进一步，所述负载单元，由电阻R5和电容C3构成。
上述技术方案的优点在于：
1、现有技术的充电电路，充电是R对C充电，RC充电电流是变化的，非线性，属于抛物线曲线，从截至到导通过程是一段时间快，一段时间慢，功耗就会增加。本实用新型采用恒流充电，充电电流不随输入电压的变化，Q1的Vgs电压不受输入电压的影响，对电容C1的电流是恒定的，C1的电压是线性上升的，Vgs的电压也是线性上升的，截止到导通过程是线性的。在相同的启动时间情况下，显著降低器件的功耗参数要求；或者在相同功耗的器件情况下，电路可以更快启动。
2、板卡的抖动就是板卡在短时间内反复插拔。如果没有缓启动，板卡插入瞬间，负载对电源有影响，轻微影响时输出电压下降，严重影响时会导致供电电源系统崩溃。所有缓启动电路的功能都是消除板卡插入瞬间，负载对供电电源的影响。而板卡的抖动时间一般是毫秒数量级。以前的电路，电容放电是通过电阻R放电，时间慢，时间常数也是在毫秒级。在板卡抖动时，电容的电没有放完，也就是缓启动电路没有复位，整个缓启动电路功能是失效的，对供电电源就有影响。本实用新型增加了有源快速放电电路，放电时间常数在微秒级，比板卡的抖动时间快1000倍。在板卡抖动时，缓启动电路已经复位，缓启动电路能够正常工作。对供电电源就没有影响。
附图说明
图1示出了现有技术的电路结构图。
图2示出了本实用新型结构示意图。
图3示出了本实用新型实施方式的电路图。
具体实施方式
如图2~图3所示，改进型快速放电和恒流充电的缓启动装置，设置在供电电源和主体单元之间，包括充电放电单元、保护单元、开关单元和负载单元，其中：
所述充电放电单元A接口连接供电电源正极，B接口连接供电电源负极，C接口连接保护单元1接口；
所述开关单元包括一个大电流场效应管Q1，其栅极G连接供电电源负极，漏极D连接保护单元3接口，源极S分别连接保护单元4接口、负载单元B接口和主体单元B接口；
所述保护单元5接口连接供电电源正极，2接口连接供电电源负极；
所述负载单元A接口连接供电电源正极和主体单元A接口；
其特征在于：所述充电放电单元由恒流源充电单元和快速放电单元构成。
所述恒流源充电单元，由电压基准和误差放大器件U2、电流输出执行器件Q4、U2供电电阻R9、电流采样电阻R10和电容C1构成。
所述快速放电单元，由电压基准和误差放大器件U1、快速放电自锁回路Q2、快速放电自锁回路Q3、电平偏移抬升二极管Z2、U1供电电阻R7、输入电压分压电阻R1、输入电压分压电阻R6和电容C1构成。
所述保护单元，由稳压二极管Z1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和电容C2构成。
所述负载单元，由电阻R5和电容C3构成。
通过恒源充电单元充电为电容C1恒流充电，使Q1的Vgs电压从0上升，Q1从截至状态逐渐过渡到导通状态。其恒流源充电单元工作方式是：电阻R10为电流采样电阻，流过电容C1的电流在R10上把电流信号转换成电压信号，送到基准电压和误差放电器件U2，U2内部包含一个2.5V的基准电压和一个放大器，能够把R10上的微小电压变化转换成较大幅度的电压变化，便于后级执行电路合适的电压幅度。U2输出一个电压信号去驱动电流输出执行器件Q4，Q4输出恒流电流，对C1充电。假设C1的电流增大，R10上的电压也增大，U2输出的电压减小（内部放大器是一个反相放大器），Q4的基极电压减小，流过Q4的电流减小，完成一个负反馈系统，实现恒流电路的功能。
V1电源断开后，电容C1通过快速放电单元放电，Q1的Vgs电压逐渐降低到0V，Q1饱和状态恢复到截至状态。其快速放电单元工作方式是：R1和R6为输入电压分压采样电阻，电压信号送到电压基准和误差放电器件U1，U1输出电压信号经过电压偏移二极管Z2，电压信号到达快速放电自锁回路Q2和快速放电自锁回路Q3。Q2和Q3组成一个互锁电流，放电回路为有源器件，放电电流可以做到很大，在极短时间内C1的电放完。假设供电电源输入电压V1降低后，R1、R6分压电压小于U1的基准电压（2.5V），U1输出远远大于5.1V的高电压，使Z2导通，Q2导通，Q3也导通，C1放电。由于放电回路无电阻，放电电流可以很大，所以放电可以在极短时间内完成。当输入电压V1正常后，R1、R6的分压电压大于U1的基准电压（2.5V），U1输出低电平。由于这个U1输出的低电平并不是为0V，可能是2V左右，所以需要一个大于2V的二极管实现电平位移。Z2不导通，Q2、Q3也不导通，对正常工作电路不影响。
实施过程中，Q1的导通和截止特性是受其Vgs电压来控制的。Vgs电压为0，完全截止。当Vgs电压上升到2V，导通程度大约10%；当Vgs电压上升到3V，导通程度大约25%；当Vgs电压上升到4V，导通程度大约50%；当Vgs电压上升到5V，导通程度大约75%；当Vgs电压上升到6V，导通程度大约100%。不同型号的器件，Vgs电压与导通程度是不同的。当供电电源在额定电压48V输入时，Q1的最大电流15A，最大功耗289W，缓启动时间14mS；当供电电源输入电压V1上升到72V时，Q1的最大电流21.5A，最大功耗569W，缓启动时间16mS；当供电电源输入电压V1降低到36V时，Q1的最大电流12.3A，最大功耗177W，缓启动时间13mS。
在不同的输入电压，Q1的功耗相差变窄。输入电压从36V增加到72V，功耗从177W增加到569W。输入电压变化2倍，功耗变化3.2倍。
在放电过程，电容放电时有源开关电路对电容快速放电，时间非常短，可以做到整个电路快速复位，为下次通电做好准备。
Claims (5)
1.改进型快速放电和恒流充电的缓启动装置，设置在供电电源和主体单元之间，包括充电放电单元、保护单元、开关单元和负载单元，其中：
所述充电放电单元A接口连接供电电源正极，B接口连接供电电源负极，C接口连接保护单元1接口；
所述开关单元包括一个大电流场效应管Q1，其栅极G连接供电电源负极，漏极D连接保护单元3接口，源极S分别连接保护单元4接口、负载单元B接口和主体单元B接口；
所述保护单元5接口连接供电电源正极，2接口连接供电电源负极；
所述负载单元A接口连接供电电源正极和主体单元A接口；
其特征在于：
所述充电放电单元由恒流源充电单元和快速放电单元构成。
2.根据权利要求1所述的改进型快速放电和恒流充电的缓启动装置，其特征在于，所述恒流源充电单元，由电压基准和误差放大器件U2、电流输出执行器件Q4、供电电阻R9、电流采样电阻R10和电容C1构成。
3.根据权利要求1所述的改进型快速放电和恒流充电的缓启动装置，其特征在于，所述快速放电单元，由电压基准和误差放大器件U1、快速放电自锁回路Q2、快速放电自锁回路Q3、电平偏移抬升二极管Z2、供电电阻R7、输入电压分压电阻R1、输入电压分压电阻R6和电容C1构成。
4.根据权利要求1所述的改进型快速放电和恒流充电的缓启动装置，其特征在于，所述保护单元，由稳压二极管Z1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和电容C2构成。
5.根据权利要求1所述的改进型快速放电和恒流充电的缓启动装置，其特征在于，所述负载单元，由电阻R5和电容C3构成。
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