电源缓启动（软起动）原理分享

谈起电源的缓启动（软起动），我们都知道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。

一、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。

二、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。

三、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。

四、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=48*R1/(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=-t*ln[1-(Uc*(R1+R2)/(48*R1))]

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=Cgd*dVgd/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)/(R3*C2)。

由此公式可以得知，漏源电压变化斜率与 R3*C2 的值有关，对于负载恒定的系统，只要控制住 R3*C2 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。