一文读懂电源缓启动原理

现在大多数电子系统都要支持热插拔功能，所谓热插拔，也就是在系统正常工作时，带电对系统的某个单元进行插拔操作，且不对系统产生任何影响。
热插拔对系统的影响主要有两方面：其一，热插拔时，连接器的机械触点在接触瞬间会出现弹跳，引起电源振荡，如下图所示：

这个振荡过程会引起系统电源跌落，引起误码，或系统重启，也可能会引起连接器打火，引发火灾。
解决的办法就是延迟连接器的通电时间，在连接器抖动的那十几毫秒内((t1至t2)不给连接器通电，等插入稳定后(t2后)再通电，即防抖动延时。

其二，热插拔时，由于系统大容量储能电容的充电效应，系统中会出现很大的冲击电流，大家都知道，电容在充电时，电流呈指数趋势下降(左下图)，所以在刚开始充电的时候，其冲击电流是非常大的。

此冲击电流可能会烧毁设备电源保险管，所以在热插拔时必须对冲击电流进行控制，使其按理想的趋势变化，如右上图所示，图中0~t1为电源缓启动时间。

综上所述，缓启动电路主要的作用是实现两项功能：
1).防抖动延时上电；
2).控制输入电流的上升斜率和幅值。

缓启动电路有两种类型：电压斜率型和电流斜率型。
电压斜率型缓启动电路结构简单，但是其输出电流的变化受负载阻抗的影响较大，而电流斜率型缓启动电路的输出电流变化不受负载影响，但是电路结构复杂。

下面重点介绍电压型缓启动电路。
设计中通常使用MOS管来设计缓启动电路的。MOS管有导通阻抗Rds低和驱动简单的特点，在周围加上少量元器件就可以构成缓慢启动电路。通常情况下，在正电源中用PMOS，在负电源中使用NMOS。
下图是用NMOS搭建的一个-48V电源缓启动电路，我们来分析下缓启动电路的工作原理。

1).D1是嵌位二极管，防止输入电压过大损坏后级电路；
2).R2和C1的作用是实现防抖动延时功能，实际应用中R2一般选20K欧姆，C1选4.7uF左右；
3).R1的作用是给C1提供一个快速放电通道，要求R1的分压值大于D3的稳压值，实际应用中，R1一般选10K左右；
4).R3和C2用来控制上电电流的上升斜率，实际应用中，R3一般选200K欧姆左右，C2取值为10 nF~100nF；
5).R4和R5的作用是防止MOS管自激振荡，要求R4、R5lt; 6).嵌位二极管D3的作用是保护MOS管Q1的栅-源极不被高压击穿；D2的作用是在MOS管导通后对R2、C1构成的防抖动延时电路和R3、C2构成的上电斜率控制电路进行隔离，防止MOS栅极充电过程受C1的影响。

下面来分析下该电路的缓启动原理：
假设MOS管Q1的栅-源极间的寄生电容为Cgs，栅-漏极间的寄生电容为Cgd，漏-源极间的寄生电容为Cds，栅-漏极外部并联了电容C2 (C2gt;>Cgd)，所以栅-漏极的总电容C’gd=C2+ Cgd，由于相对于C2 来说，Cgd的容值几乎可忽略不计，所以C’gd≈C2，MOS管栅极的开启电压为Vth，正常工作时，MOS管栅源电压为Vw(此电压等于稳压管D3的嵌位电压)，电容C1充电的时间常数t=(R1//R2//R3)C1，由于R3通常比R1、R2大很多，所以t≈(R1//R2)C1。

下面分三个阶段来分析上述电压缓启动电路的工作原理：
第一阶段：-48V电源对C1充电，充电公式如下。
Uc＝48R1/(R1+R2)[1-exp(-T/t)]，其中T是电容C1电压上升到Uc的时间，时间常数t＝(R1//R2)C1。所以，从上电到MOS管开启所需要的时间为：Tth=-tln[1-(Uc*(R1+R2)/(48R1))]
第二阶段：MOS管开启后，漏极电流开始增大，其变化速度跟MOS管的跨导和栅源电压变化率成正比，具体关系为：dIdrain/dt = gfm dVgs/dt，其中gfm为MOS管的跨导，是一个固定值，Idrain为漏极电流，Vgs为MOS管的栅源电压，此期间体现为栅源电压对漏源电流的恒定控制，MOS管被归纳为压控型器件也是由此而来的。
第三阶段：当漏源电流Idrain达到最大负载电流时，漏源电压也达到饱和，同时，栅源电压进入平台期，设电压幅度为Vplt。由于这段时间内漏源电流Ids保持恒定，栅源电压Vplt=Vth+(Ids/gfm)，同时，由于固定的栅源电压使栅极电流全部通过反馈电容C’gd，则栅极电流为Ig=(Vw-Vplt)/(R3+R5)，由于R5相对于R3可以忽略不计，所以Ig≈(Vw-Vplt)/R3。因为栅极电流Ig≈Icgd，所以，Icgd=CgddVgd/dt。由于栅源电压在这段时间内保持恒定，所以栅源电压和漏源电压的变化率相等。故有：dVds/dt=dVgd/dt=(Vw-Vplt)/(R3C2)。
由此公式可以得知，漏源电压变化斜率与R3C2的值有关，对于负载恒定的系统，只要控制住R3C2的值，就能控制住热插拔冲击电流的上升斜率。
缓启动阶段，栅源电压Vgs，漏源电压Vds和漏源电流Ids的变化示意图如下所示。

在0~t1阶段，肖特基二极管D2尚未开启，所以Vgs等于0，在这段时间内，-48V电源通过R3、R5对C2充电，等C2的电压升高到D2的开启电压，MOS管的栅极电压开始升高，等栅源电压升高到MOS管的开启电压Vth时，MOS管导通，漏源电流Ids开始增大，等MOS管的栅源电压升高到平台电压Vplt时，漏源电流Ids也达到最大，此时，漏源电压Vds进入饱和，开始下降，平台电压Vplt结束时，MOS管完全导通，漏源电压降到最低，MOS管的导通电阻Rds最小。