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    千次阅读 2020-12-25 14:47:03
    PMOS防浪涌抑制电路1.浪涌电流的来源2.防浪涌抑制电路分析2.1 电路原理2.2 影响因素2.2.1 RC参数的影响2.2.2 MOS参数的影响2.3 实际测试波形3. 其他防浪涌电路 1.浪涌电流的来源 为了减小输入电压纹波,常常在电源...

    1.浪涌电流的来源

    为了减小输入电压纹波,常常在电源输入端加上大电容来进行滤波。若电路不加任何处理,往往会上电爆炸,小陶瓷电容还好,因为容量小嘛,但是大电解电容可就gg了。那么为什么会这样呢?
    这是因为上电瞬间电容由于电压不能突变,维持初始值0,这相当于短路,当上电时,输入电压全部加在阻抗很小的线路上,产生浪涌电流。防浪涌抑制电路的作用是抑制上电瞬间输出电容上的大电流。

    2.防浪涌抑制电路分析

    2.1 电路原理

    下图是PMOS防浪涌电路的简化原理图。
    首先说为什么采用PMOS,因为负压开通,可与输入共地,若采用NMOS,可就需要charge bump才能导通了。
    在这里插入图片描述
    其次再来说此电路的原理。
    防浪涌抑制电路的基本原理是利用场效应管的电流放大特性,控制输入电流从0逐渐增加,缓慢的为输出侧电容充电,直至场效应管完全导通,从而避免由于输出侧电容的瞬间短路特性导致产生的大电流。
    工作过程主要分为三个阶段,上电阶段,C1充电阶段,Cin充电阶段。
    1. 上电阶段
    上电瞬间,电容C1短路,PMOS管Q1的SG两端电压为0,Q1不导通,SD两端阻抗无穷大,Cin上无电流。

    2. C1充电阶段
    输入给C1充电,充电时间常数约为R2*C1。随着C1的充电,Q1的SG两端电压逐渐上升,当达到PMOS管的开启电压Vth后,Q1导通。

    3. Cin充电阶段
    随着C1两端电压逐渐升高,Q1逐渐导通,管子上流过的电流逐渐增加,从而给Cin进行充电,充电时间常数为Rsd*Cin,Rsd为Q1导通时的等效电阻。

    当C1两端的电压,达到R1两端在输入的分压时,充电结束。Cin两端的电压达到输入电压时,充电结束。
    以上工作工程可由下图表示。Vc1是C1两端的电压。Vcin是Cin两端的电压,Icin是Cin流过的电流。
    在这里插入图片描述
    我们来关注下电流的波形,为什么会这样?从0增加到最大,斜率先增大,后减小,而后电流又快速下降。
    我试图想从公式上推导,发现高阶微分方程太难解出了,还是感性的说吧。
    PMOS上的电流其实主要与两条曲线有关,一个是mos的转移特性曲线,Vsg越大,-Id越大,那么电容充电电流的波形与转移特性一致,另一方面若不考虑mos阻抗的变化,当作常数R,那么随着电容电压增加,充电电流是越来越小的。当两者达到一个平衡后,出现最大电流。不过电路中有寄生参数,应该不可能让ic的电流不可导,所以在极值点是平滑过渡的。
    在这里插入图片描述

    2.2 影响因素

    2.2.1 RC参数的影响

    要想电容充电电流小,充电慢,最简单的来说就是增大时间常数,包括mos管你都可以当作阻抗来考虑,最开始阻抗无穷大,完全导通阻抗几乎为0.
    所以可以通过调节R2,C1可控制mos开启电压的上升速度,从而控制电流。当然在调节R2时,需同步调节R1,以确保电阻足够的功率降额或者足够的开启电压。

    2.2.2 MOS参数的影响

    实际上,PMOS参数的差异也会影响浪涌电流,比如转移特性和Vth。
    1)转移特性的影响
    不同的转移特性会导致相同的VSG下,导通电流的不同,如下图所示。
    在这里插入图片描述
    2)Vth的影响
    不同的Vth会导致MOS导通时电流的上升速率不同。假设MOS的电流放大倍数相同,即转移特性曲线中斜率相同,Vth不同,导致相同VSG下,导通电流不同,Vth越小,导通电流越大。
    在这里插入图片描述
    MOS导通电流越大,Cin充电电流越大。而Cin总电荷量是一定的,由Q=CU=It可知,电流大,充电时间短,峰值电流大,而电流小,充电时间长,峰值电流小。
    在这里插入图片描述

    2.3 实际测试波形

    结合实际浪涌电流波形进行分析。上电一段时间后,回路电流快速上升,等效输入电容充电,电流到达峰值后,由于电容电压上升到一定值,充电电流减小,而后后级电路启动,由于带载,电容电压被拉低,充电电流又会上升后回落,直到充电结束。图中充电结束后的电流震荡,可能跟后级电路有关,需结合实际进行再分析。
    在这里插入图片描述
    根据前文分析,在电路参数不变的情况下,不同板卡测试结果不同,可能是由于MOS管差异导致,而MOS管的差异在实际应用中很难保证,所以建议调整C1,R2,R1,如增大C1或R2,R1,可减小浪涌电流。由于整个电路启动时间的要求,RC不能太大,浪涌电流时间一般保证在2ms左右。

    3. 其他防浪涌电路

    1)NTC防浪涌电路
    NTC:负温度系数的热敏电阻,温度越高,电阻越小。
    直接将NTC与大电容串联,上电时,电阻大,充电慢,上电完成电阻小,减小损耗。
    在这里插入图片描述
    但存在的问题是限制上电浪涌电流性能受环境温度和NTC的初始温度影响,在环境温度较高或在上电时间间隔很短时,NTC起不到限制上电浪涌电流的作用,
    2)PTC+继电器防浪涌电路
    PTC:正温度系数的热敏电阻,温度越高,电阻越大。
    上电时,电阻大,充电慢,随着电阻温度上升,PTC断开,用继电器代替,可减小电路损耗。

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    转自:https://mp.weixin.qq.com/s/zRLd6AjbfYOAmCdc0IaxJQ

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