带软开启功能的MOS管电源开关电路

原创电路啊 2024-11-28 07:32

【北京12.5号】无线前沿新技术与测试技术峰会 精密双向电流感应放大器设计方案

电源开关电路，经常用在各“功能模块”电路的电源通断控制，是常用电路之一。

本文要讲解的电源开关电路，是用MOS管实现的，且带软开启功能，非常经典，是硬件工程师必须掌握的实用电路。

一、电路说明

电源开关电路，尤其是MOS管电源开关电路，经常用在各“功能模块”电路的电源通断控制，如下框图所示。

▲ 框图中“1个MOS管符号”代表“1个完整的MOS管电源开关电路”

在设计时，只要增加一个电容（C1），一个电阻（R2），就可以实现软开启（soft start）功能。

▲ 电容C1、电阻R2实现软开启（soft start）功能

软开启，是指电源缓慢开启，以限制电源启动时的浪涌电流。

在没有做软开启时，电源电压的上升会比较陡峭。

▲ 没有做软开启时，电源电压上升沿比较陡峭

加入软开启功能后，电源开关会慢慢打开，电源电压也就会慢慢上升，上升沿会比较平缓。

▲ 加入软开启功能，电源电压上升沿比较平缓

浪涌电流可能会令电源系统突然不堪重负而掉电，导致系统不稳定。严重的可能会损坏电路上的元器件。

▲ 浪涌电流时常导致系统不稳定，并可能损坏电路元器件

电源上电过快过急，负载瞬间加电，会突然索取非常大的电流。

比如在电源电压是5V，负载是个大容量电容的时候，电源瞬间开启令电压瞬间上升达到5V，电容充电电流会非常大。如果同样的时间内电源电压只上升到2.5V，那么电流就小得多了。下面从数学上分析一下。

电量 = 电容容量 * 电容两端的电压，即：

Q = C * U

同时电量 = 电流 * 时间，即：

Q = I * t

所以电流：

I = (CU) / t

从公式可以看出，当电容容量越大，电压越高，时间越短，电流就会越大，从而形成浪涌电流。

大电容只是形成浪涌电流的原因之一，其他负载也会引起浪涌电流。

二、原理分析

1、控制电源开关的输入信号 Control 为低电平或高阻时，三极管Q2的基极被拉低到地，为低电平，Q2不导通，进而MOS管Q1的Vgs = 0，MOS管Q1不导通，+5V_OUT 无输出。电阻R4是为了在 Control 为高阻时，将三极管Q2的基极固定在低电平，不让其浮空。

2、当电源 +5V_IN 刚上电时，要求控制电源开关的输入信号 Control 为低电平或高阻，即关闭三极管Q2，从而关闭MOS管Q1。因 +5V_IN 还不稳定，不能将电源打开向后级电路输出。此时等效电路图如下。

此时电源 +5V_IN 刚上电，使MOS管G极与S极等电势，即Vgs = 0，令Q1关闭。

3、电源 +5V_IN 上电完成后，MOS管G极与S极两端均为5V，仍然Vgs = 0。

4、此时将 Control 设为高电平（假设高电平为3.3V），则：

①三极管Q2的基极为0.7V，可算出基极电流Ibe为：

(3.3V - 0.7V) / 基极电阻R3 = 0.26mA

②三级管Q2饱和导通，Vce ≈ 0。电容C1通过电阻R2充电，即C1与G极相连端的电压由5V缓慢下降到0V，导致Vgs电压逐渐增大。

③MOS管Q1的Vgs缓慢增大，令其缓慢打开直至完全打开。最终Vgs = -5V。

④利用电容C1的充电时间实现了MOS管Q1的缓慢打开（导通），实现了软开启的功能。

MOS管打开时的电流流向如下图所示：

5、电源打开后，+5V_OUT 输出为5V电压。此时将 Control 设为低电平，三极管Q2关闭，电容C1与G极相连端通过电阻R2放电，电压逐渐上升到5V，起到软关闭的效果。软关闭一般不是我们想要的，过慢地关闭电源，可能出现系统不稳定等异常。过程如下图。

过慢地开启和关闭电源都可能导致电路系统异常，这个MOS管电源开关电路及其参数已经过大批量使用验证，一般情况下可以直接照搬使用。

三、电路参数设定说明

调整C1、R2的值，可以修改软启动的时间。值增大，则时间变长。反之亦然。

如果不想使用软开启功能，直接不上件电容C1即可。

使用原理图中所标型号的MOS管（WPM2341A-3/TR），通过的电流最好不要超过1.75A，留至少30%的余量，并且要注意散热。

因为下图中该MOS管的数据手册说它超过2.5A会损坏。

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