缓启动电路的工作原理

摘要

通信产品一般采用分散供电，各单板采用DC/DC模块将-48V电源转换为所需的5V、3.3V、2.5V等子电源。
由于输入电压高，滤波和防止电源电路存在DIP当单板插入电源时，大电容将对-48V电源冲击，瞬时大电流-48V电源电压下降，可能影响其他单板的正常工作；
同时，由于电流瞬时大，单板插入时会在连接器上产生明显的火灾，造成电磁干扰和对接器的腐蚀。为避免上述现象，-48V电源单板需要慢上电。

一、缓慢启动电路的作用

电源模块的输入端设计了几乎所有通信设备产品单板上的慢启动电路，主要有两个功能：
1.延迟单板电源上电时间：我们的单板一般需要支持热拔插。当单板插入子架时，单板插头与母板插针的接触不稳定。为了避免这种抖动的影响，可以在电源模块和母板电源之间添加一个电路，使母板电源延迟一段时间后添加到电源模块中。
2、降低冲击电流：由于单板电源与滤波电容器连接，电源瞬间跳转由于电容器充电，会产生较大的冲击电流，导致母板电源电压抖动、下降，电磁辐射强，容易对其他工作单板产生不良影响，如果能减缓电源上电速度，可有效减少影响。

二、缓启动电路的工作原理

电路原理图：

缓启动电路由R39，R49，C7和Q31组成，Q31是绝缘格栅场效应管，也是缓启动电路最关键的设备。为了理解缓启动的原理，让我们先回顾一下MOS管道的一点基础知识。下图大致描述了典型的MOS管道的转移特性：

MOS管的特性表明，当Vgs小于一定电压（Vth）时，DS极间电阻Rds很大，可以认为开路，电流不能通过；当Vgs达到Vth时，MOS管道开始导通，Rds随Vgs增加迅速减少。当Vgs达到一定程度，Rds很小，可以认为DS它们之间似的。Vth可称为开启电压（Voltage－Gate threshold），一般为2－4V。
在缓启动电路中，电阻R39，R49和C7构成分压式RC时间常数电路，C7并联在Q31的GS极间，也就是Vc7＝Vgs。当48V当电源刚刚加到单板时，C7未充电，Vgs＝0，MOS不导电，电源模块不供电。随后，48V通过R39，R49向C7充电，当C7的电压达到Vth时，MOS开始导通，这一阶段，完成了延迟上电的作用，延迟时间可以从下面估算:

其中，T为延迟时间， Uin＝48V，$\tau$ 为RC电路时间常数，$\tau$＝C7（R39//R49），Vth一般取4V。计算原理图中的数值，延迟时间T约为15.3ms。
MOS管道开始导通后，Vgs继续增加(直到12V左右），Rds快速降低，慢启动输出电压逐渐升高，直到与输入电压基本一致。
电源模块开始工作，单板正式上电。在此过程中，输出电压并没有立即跳到最高，因此大大减少了冲击电流的干扰。这个过程的时间和C充电速度为7，MOS负载特性与负载特性有关，难以具体计算，需要实测调整。

三、实测波形分析

  下图显示了输入电压上的电波形状 

这是电源开关关闭时缓慢启动输入端的波形，可以看到画圈处的抖动，持续时间约为1ms，如果是热拔插，抖动的幅度和持续时间可能会更大。

下图是缓启动C7电压波形上升

可见，上电15ms后，C7电源上升到4左右V，与理论计算值基本一致。

下图为缓启动MOS管的D，S间压波形。

可见开关关闭合后的14ms输入电压完全加在内MOS的DS这与理论计算值基本一致(因为MOS管的Vth并不一定是4V，有些误差很正常)，从14开始ms开始，Vds过程时间约为4ms。

下图为缓启动输出的电压波形。

(注:上图不是同时间轴)

可以看出，与缓启动的输入电压上电波形相比，缓启动的输出电压在开关关闭时不再抖动，上电边缘也非常明显，过程约为4ms，实现减少上电冲击的目的。

让我们在同一时间轴上比较所有波形，如下：

（上图Uc7电压幅值应加10V偏置电压）

可以看到，经过缓启动电路之后，单板实际供电电压Uout比输入电压Uin总共延迟了近20ms，不仅消除了上电抖动，而且有效地减少了冲击。

四、总结

2、缓慢启动的延迟时间不能太长，
原因有二：
首先，延迟太长。热拔插时，单板接口信号线已连接，电源尚未上电，导致接口设备锁紧损坏；
二是缓慢启动关键器件MOS在从截止到导通转换的过程中瞬时功耗很大是的，如果电容充电太慢，边缘时间太长，MOS管道会因功耗过大而损坏。延迟通常需要几十毫秒。

转载自硬件电子工程师