[键入文字] 电源的缓启动电路原理分析 Version 1.0 [键入文字] . 1.0 Date 2009-10-10 ECO# Originated by Song changjiang History Created [键入文字] 在电信工业和微波电路设计领域,普遍使用 MOS 管控制冲击电流的方达到电流缓启动的 目的。MOS 管有导通阻抗 Rds_on 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。虽然电路比较简单,但只有吃透 MOS 管的相关开关特性后才能对这个电路有深 入的理解。 本文首先从 MOSFET 的开通过程进行叙述: 尽管MOSFET 在开关电源、电机控制等一些电子系统中得到广泛的应用,但是许多电子工程师并没有 十分清楚的理解MOSFET 开关过程,以及MOSFET 在开关过程中所处的状态 一般来说,电子工程师通常基 于栅极电荷理解MOSFET 的开通的过程,如图 1 所示 此图在MOSFET 数据表中可以查到 图 1 AOT460 栅极电荷特性 MOSFET 的 D 和 S 极加电压为 VDD,当驱动开通脉冲加到MOSFET 的 G 和 S 极时,输入电容 Ciss 充 电,G 和 S 极电压 Vgs 线性上升并到达门槛电压 VGS(th) ,Vgs 上升到 VGS(th) 之前漏极电流 Id≈0A,没有漏 极电流流过,Vds 的电压保持 VDD 不变 当 Vgs 到达 VGS(th) 时,漏极开始流过电流 Id,然后 Vgs 继续上升,Id 也逐渐上升,Vds 仍然保持 VDD 当 Vgs 到达米勒平台电压 VGS(pl) 时,Id 也上升到负载电流最大值 ID,Vds 的电压开始从 VDD 下降 米勒平台期间,Id 电流维持 ID,Vds 电压不断降低 Page: 3 of 9 [键入文字] 米勒平台结束时刻,Id 电流仍然维持 ID,Vds 电压降低到一个较低的值 米勒平台结束后,Id 电流仍 然维持 ID,Vds 电压继续降低,但此时降低的斜率很小,因此降低的幅度也很小,最后稳定在 Vds=Id× Rds(on) 因此通常可以认为米勒平台结束后MOSFET 基本上已经导通 对于上述的过程,理解难点在于为什么在米勒平台区,Vgs 的电压恒定?驱动电路仍然对栅极提供驱动 电流,仍然对栅极电容充电,为什么栅极的电压不上升?而且栅极电荷特性对于形象的理解MOSFET 的开通 过程并不直观 因此,下面将基于漏极导通特性理解MOSFET 开通过程 MOSFET 的漏极导通特性与开关过程 MOSFET 的漏极导通特性如图 2 所示 MOSFET 与三极管一样,当MOSFET 应用于放大电路时,通常要 使用此曲线研究其放大特性 只是三极管使用的基极电流、集电极电流和放大倍数,而MOSFET 使用栅极电 压、漏极电流和跨导 图 2 AOT460 的漏极导通特性 三极管有三个工作区:截止区、放大区和饱和区,MOSFET 对应是关断区、恒流区和可变电阻区 注 意:MOSFET 恒流区有时也称饱和区或放大区 当驱动开通脉冲加到MOSFET 的 G 和 S 极时,Vgs 的电压逐 渐升高时,MOSFET 的开通轨迹 A-B-C-D 如图 3 中的路线所示 Page: 4 of 9 [键入文字] 图 3 AOT460 的开通轨迹 开通前,MOSFET 起始工作点位于图 3 的右下角 A 点,AOT460 的 VDD 电压为 48V, Vgs 的电压逐渐 升高,Id 电流为 0,Vgs 的电压达到 VGS(th) ,Id 电流从 0 开始逐渐增大 A-B 就是 Vgs 的电压从 VGS(th)增加到 VGS(pl) 的过程 从 A 到 B 点的过程中,可以非常直观的发现, 此过程工作于MOSFET 的恒流区,也就是 Vgs 电压和 Id 电流自动找平衡的过程,即 Vgs 电压的变化伴随着 Id 电流相应的变化,其变化关系就是MOSFET 的跨导:Gfs=Id/Vgs ,跨导可以在MOSFET 数据表中查到 当 Id 电流达到负载的最大允许电流 ID 时,此时对应的栅级电压 Vgs(pl)=Id/gFS 由于此时 Id 电流恒 定,因此栅极 Vgs 电压也恒定不变,见图 3 中的 B-C,此时MOSFET 处于相对稳定的恒流区,工作于放大器 的状态 开通前,Vgd 的电压为 Vgs-Vds ,为负压,进入米勒平台,Vgd 的负电压绝对值不断下降,过 0 后转为 正电压 驱动电路的电流绝大部分流过 CGD,以扫除米勒电容的电荷,因此栅极的电压基本维持不变 Vds 电压降低到很低的值后,米勒电容的电荷基本上被扫除,即图 3 中的 C 点,于是,栅极的电压在驱动电流的 充电下又开始升高,如图 3 中的 C-D,使MOSFET 进一步完全导通 Page: 5 of 9 [键入文字] C-D 为可变电阻区,相应的 Vgs 电压对应着一定的 Vds 电压 Vgs 电压达到最大值,Vds 电压达到最小 值,由于 Id 电流为 ID 恒定,因此 Vds 的电压即为 ID 和MOSFET 的导通电阻的乘积 基于MOSFET的漏极导通特性曲线可以直观的理解 MOSFET开通时,跨越关断区、恒流区 和可变电阻区的过程 米勒平台即为恒流区,MOSFET工作于放大状态, Id 电流为 Vgs 电压和 跨导乘积 电路原理详细说明: MOS 管是电压控制器件,其极间电容等效电路如图 4 所示。 图 4. 带外接电容 C2 的 N 型 MOS 管极间电容等效电路 MOS 管的极间电容栅漏电容 Cgd、栅源电容 Cgs 、漏源电容 Cds 可以由以下公式确定: 公式中 MOS 管的反馈电容 Crss, 输入电容 Ciss 和输出电容 Coss 的数值在 MOS 管的手册上可以查到。 电容充放电快慢决定 MOS 管开通和关断的快慢,Vgs 首先给 Cgs 充电,随着 Vgs 的上升,使得 MOS 管 从截止区进入可变电阻区。进入可变电阻区后,Ids 电流增大,但是 Vds 电压不变。随着 Vgs 的持续增大, MOS 管进入米勒平台区,在米勒平台区,Vgs 维持不变,电荷都给 Cgd 充电,Ids 不变,Vds 持续降低。在 米勒平台后期,MOS 管 Vds 非常小,MOS 进入了饱和导通期。