電源放反接設計和緩啟動電路設計分析

電源的放反接設計

在實際電路調試中，會因小失誤將電源的正負極接反，從而導致電路中的相關器件損壞。即在電路設計中，增加適當的防反接電路。比較簡單的電路，即在電源的輸入端串聯一個二極管，有效避免電源反接

但，對于二極管的防反接電路中，由于二極管的特性，其存在一定的壓降。以壓降比較低的肖特基二極管SS14，其在負載電流為1A時的正向壓降有550mV，則二極管損失的功耗就是550mW，損耗大。為了降低損耗，可考慮使用MOS管在設計防反接電路，因為MOS管在完全導通時，它的內阻比較小。
如下MOS管的防反接電路

a：R1、R2為分壓電阻，D為齊納二極管（穩壓二極管），Q為N溝道MOS管。工作原理：當電源接入正確時，R1、R2串聯分壓，R2為Vgs兩端提供正向的壓降，MOS管DS兩端溝道導通，為負載提供電流回路。其中D為過電壓保護二極管，保護MOS管，防止MOS管Vgs電壓過高對MOS管產生損壞。

當MOS管完全導通時，對于一般的NMOS管來說，其Rds可以選用幾 mΩ的，其在1A負載電流時的損耗大約在幾mW左右。相對于二極管的550mW的功耗，使用MOS管，能夠有效的降低電源輸入的損失。

當電源反接時，柵源兩極并不存在正向電壓差，所以漏源兩極無法形成導電溝道，MOS管電阻值Rds很大，相當于開路狀態，電路無法形成電流回路，故而起到防止反接的作用。

b：P溝道MOS管設計的防反接電路。
工作原理：NMOS相同，都是通過MOS管柵源兩極的正向電壓使漏源兩極想成導電溝道。一般NMOS的導通電阻比PMOS的要小，因此常選擇NMOS。

電源輸入的緩啟動

在電源輸入的設計中，增加緩啟動電路可以有效的避免電源起動時的沖擊影響，電源的緩啟動電路如下圖所示：
緩啟動電路

以MOS管BSC014N06NS為例進行闡述緩啟動電路的啟動過程。其導通電阻典型值為1.4mΩ，耐壓值為60V。必要要先搞清楚BSC014N06NS的相關參數，以及電路中元件的主要作用。在BSC014N06NS數手冊中可知：
Ciss(MAX) = 8125pF；
Coss(MAX) = 1875pF；
Crss(MAX) = 118pF；
輸出電壓的輸出斜率主要受R4與C2決定。
對于C2的取值應滿足要求
C2 >> (Cgs + Cgd)
其中Cgs = Ciss - Crss；Cgd = Crss
C2 >> 8125pF
C2的取值可以取100nF
根據C2設計輸出電壓斜率的時間常數τ1，根據一階電容的零輸入響應可知：τ1 = R2*C2。若設計時間常數τ1 = 100ms，則R2取值為1MΩ。還要滿足R4<< R2，而R5的作用是為了防止MOS管產生自激振蕩，一般取值很小。由BSC014N06NS數據手冊可知，Vgs(th)最大值為3.3V，當MOS管導通之后，導通電阻Rds與Id之間的關系如下圖所示：

MOS導通后Rds與Id關系圖

當Vgs ≥ 6V時，漏源之間的導通電阻Rds輸出隨電流之間的變化較小。
由數據手冊，其測試數據如表1-1

BSC014N06NS導通電壓Vgs≥6V，此刻取值為6V。
由測試數據可知，當Vgs = 6V、Id = 12.5A時，漏源之間的導通電阻Rds = 1.6mΩ，一般情況下，在電子電路中其電流值不會超過12.5A。
為降低支路損耗，可將分壓支路總電阻設計到200k歐姆左右。

在電源電壓為12V時，則其支路損耗電流為0.06mA，支路損耗為0.72mW，均可忽略不計。
采用2個完全相同的100k電阻串聯實現分壓。
防止過電壓對MOS管產生損害，在MOS管的柵源兩極并聯一個保護二極管。
二極管V2的關斷電壓為7V，反向擊穿電壓最小值為7.78V，鉗位電壓為12V。而MOS管的柵源電壓工作范圍為±20V，能夠滿足保護要求。

電容C1與R1、R2組成的RC電路主要只要作用時，為了保證在上電瞬間MOS管處于截至狀態，起到延時開通電路的作用。

其延時的時間常數主要取決于τ2
根據一階電容的零輸入響應有：
τ2 = (R1 + R2) * C1
R3作用：
1.為了給MOS的提供Vgs需要的電壓，
2.在斷電時，給電容提供放電回路，其放電時間常數可根據電容的零狀態響應進行計算。
通過Multisim仿真來進一步說明電路的工作原理，其仿真圖可直接下載文件仿真。在仿真文件中圖中C3、C4、C5、C6為去耦電容，在整個電路緩啟動過行程中不起作用。電源電壓取12V，負載取值為1K。

上電瞬間，MOS管柵源電壓為0，MOS管處于截至狀態，漏源(DS)兩端電壓等于電源電壓，即Vgs = 12V。當二級管導通后，柵極電壓隨著電容C1變化。此時MOS管任然工作在截至狀態，截至狀態的持續時間主要取決于時間常數R1*C1

當電壓升高到Vgs = Vgs(th)時，MOS管開始導通此時Ids開始有電流流過，由于DS之間還未完全導通，Vds之間的電壓下降的并不明顯。當柵極繼續充電進入米勒平臺后，其柵極電壓保持不變，二極管D1處于截至狀態。

米勒平臺持續時間主要取決于電容C2，此時，MOS管DS兩端電壓開始以時間常數R2*C2下降。當柵極電荷充滿后，MOS管完全導通，此時MOS管的漏源電壓Vds = 0V，此時負載電壓和電流均達到最大值。在此過程中，負載電壓和電流也按照相同的斜率進行上升。

仿真緩啟動波形圖

示波器XSC1中紅色曲線是MOS管漏源電壓Vds，
藍色曲線：柵源電壓Vgs
綠色曲線：C1兩端電壓
示波器XSC2紅線：負載電壓曲線
橙色線：負載電流曲線
藍色豎線：進入米勒平臺，電路的換啟動過程，米勒平臺結束，緩啟動完成。
綜上所述，閉合開關后緩啟動電路有三個階段的工作狀態。
第一階段：MOS管截至，截止持續時間取決于時間常數R1*C1。
第二階段：也是緩啟動電路的緩啟動過程，在此過程中電路的啟動斜率主要取決于時間常數R2*C2，此階段Vgs處于米勒平臺區間，這個階段是整個電路的核心階段。
第三個階段：米勒平臺結束，MOS管完全導通，整個電路也完全導通。

編輯：黃飛

?