【導讀】現(xian)在(zai)大(da)多(duo)數(shu)電(dian)子(zi)係(xi)統(tong)都(dou)要(yao)支(zhi)持(chi)熱(re)插(cha)拔(ba)功(gong)能(neng)，所(suo)謂(wei)熱(re)插(cha)拔(ba)，也(ye)就(jiu)是(shi)在(zai)係(xi)統(tong)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)時(shi)，帶(dai)電(dian)對(dui)係(xi)統(tong)的(de)某(mou)個(ge)單(dan)元(yuan)進(jin)行(xing)插(cha)拔(ba)操(cao)作(zuo)，且(qie)不(bu)對(dui)係(xi)統(tong)產(chan)生(sheng)任(ren)何(he)影(ying)響(xiang)。

現(xian)在(zai)大(da)多(duo)數(shu)電(dian)子(zi)係(xi)統(tong)都(dou)要(yao)支(zhi)持(chi)熱(re)插(cha)拔(ba)功(gong)能(neng)，所(suo)謂(wei)熱(re)插(cha)拔(ba)
，也(ye)就(jiu)是(shi)在(zai)係(xi)統(tong)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)時(shi)
，帶(dai)電(dian)對(dui)係(xi)統(tong)的(de)某(mou)個(ge)單(dan)元(yuan)進(jin)行(xing)插(cha)拔(ba)操(cao)作(zuo)，且(qie)不(bu)對(dui)係(xi)統(tong)產(chan)生(sheng)任(ren)何(he)影(ying)響(xiang)。

熱插拔對係統的影響主要有兩方麵：

其一

，熱插拔時，連接器的機械觸點在接觸瞬間會出現彈跳，引起電源振蕩，如下圖所示：

這個振蕩過程會引起係統電源跌落，引起誤碼，或係統重啟
，也可能會引起連接器打火，引發火災。

解決的辦法就是延遲連接器的通電時間，在連接器抖動的那十幾毫秒內((t1至t2)不給連接器通電，等插入穩定後(t2後)再通電
，即防抖動延時。

其(qi)二(er)
，熱(re)插(cha)拔(ba)時(shi)，由(you)於(yu)係(xi)統(tong)大(da)容(rong)量(liang)儲(chu)能(neng)電(dian)容(rong)的(de)充(chong)電(dian)效(xiao)應(ying)，係(xi)統(tong)中(zhong)會(hui)出(chu)現(xian)很(hen)大(da)的(de)衝(chong)擊(ji)電(dian)流(liu)，大(da)家(jia)都(dou)知(zhi)道(dao)
，電(dian)容(rong)在(zai)充(chong)電(dian)時(shi)，電(dian)流(liu)呈(cheng)指(zhi)數(shu)趨(qu)勢(shi)下(xia)降(jiang)(左下圖)，所以在剛開始充電的時候，其衝擊電流是非常大的。

此衝擊電流可能會燒毀設備電源保險管，所以在熱插拔時必須對衝擊電流進行控製，使其按理想的趨勢變化，如右上圖所示，圖中0~t1為電源緩啟動時間。

 綜上所述
，緩啟動電路主要的作用是實現兩項功能：

1).防抖動延時上電；

2).控製輸入電流的上升斜率和幅值。

緩啟動電路有兩種類型：電壓斜率型和電流斜率型。

dianyaxielvxinghuanqidongdianlujiegoujiandan，danshiqishuchudianliudebianhuashoufuzaizukangdeyingxiangjiaoda，erdianliuxielvxinghuanqidongdianludeshuchudianliubianhuabushoufuzaiyingxiang，danshidianlujiegoufuza。

下麵重點介紹電壓型緩啟動電路。

設計中通常使用MOS管來設計緩啟動電路的。MOS管有導通阻抗Rds低和驅動簡單的特點
，在周圍加上少量元器件就可以構成緩慢啟動電路。通常情況下
，在正電源中用PMOS，在負電源中使用NMOS。

下圖是用NMOS搭建的一個-48V電源緩啟動電路
，我們來分析下緩啟動電路的工作原理。

1).D1是嵌位二極管，防止輸入電壓過大損壞後級電路；

2).R2和C1的作用是實現防抖動延時功能
，實際應用中R2一般選20K歐姆
，C1選4.7uF左右；

3).R1的作用是給C1提供一個快速放電通道
，要求R1的分壓值大於D3的穩壓值，實際應用中
，R1一般選10K左右；

4).R3和C2用來控製上電電流的上升斜率，實際應用中，R3一般選200K歐姆左右，C2取值為10 nF~100nF；

5).R4和R5的作用是防止MOS管自激振蕩，要求R4
、R5lt;<R3，R4取值一般為10～50歐姆之間
，R5一般為2K歐姆；

6).嵌位二極管D3的作用是保護MOS管Q1的柵-源極不被高壓擊穿；D2的作用是在MOS管導通後對R2
、C1構成的防抖動延時電路和R3、C2構成的上電斜率控製電路進行隔離，防止MOS柵極充電過程受C1的影響。

下麵來分析下該電路的緩啟動原理：

假設MOS管Q1的柵-源極間的寄生電容為Cgs，柵-漏極間的寄生電容為Cgd，漏-源極間的寄生電容為Cds

，柵-漏極外部並聯了電容C2 (C2gt;>Cgd)，所以柵-漏極的總電容C’gd=C2+ Cgd，由於相對於C2 來說，Cgd的容值幾乎可忽略不計，所以C’gd≈C2，MOS管柵極的開啟電壓為Vth，正常工作時
，MOS管柵源電壓為Vw(此電壓等於穩壓管D3的嵌位電壓)，電容C1充電的時間常數t=(R1//R2//R3)C1，由於R3通常比R1、R2大很多，所以t≈(R1//R2)C1。

下麵分三個階段來分析上述電壓緩啟動電路的工作原理：

第一階段：-48V電源對C1充電
，充電公式如下。

Uc＝48*R1/(R1+R2)[1-exp(-T/t)]
，其中T是電容C1電壓上升到Uc的時間，時間常數t＝(R1//R2)C1。所以，從上電到MOS管開啟所需要的時間為：Tth=-t*ln[1-(Uc*(R1+R2)/(48*R1))]

第二階段：MOS管開啟後
，漏極電流開始增大，其變化速度跟MOS管的跨導和柵源電壓變化率成正比
，具體關係為：dIdrain/dt = gfm *dVgs/dt
，其中gfm為MOS管的跨導，是一個固定值，Idrain為漏極電流
，Vgs為MOS管的柵源電壓，此期間體現為柵源電壓對漏源電流的恒定控製，MOS管被歸納為壓控型器件也是由此而來的。

第三階段：當漏源電流Idrain達到最大負載電流時，漏源電壓也達到飽和，同時
，柵源電壓進入平台期，設電壓幅度為Vplt。由於這段時間內漏源電流Ids保持恒定
，柵源電壓Vplt=Vth+(Ids/gfm)，同時，由於固定的柵源電壓使柵極電流全部通過反饋電容C’gd，則柵極電流為Ig=(Vw-Vplt)/(R3+R5)，由於R5相對於R3可以忽略不計
，所以Ig≈(Vw-Vplt)/R3。因為柵極電流Ig≈Icgd
，所以，Icgd=Cgd*dVgd/dt。由於柵源電壓在這段時間內保持恒定，所以柵源電壓和漏源電壓的變化率相等。故有：dVds/dt=dVgd/dt=(Vw-Vplt)/(R3*C2)。

由此公式可以得知
，漏源電壓變化斜率與R3*C2的值有關
，對於負載恒定的係統
，隻要控製住R3*C2的值
，就能控製住熱插拔衝擊電流的上升斜率。

緩啟動階段
，柵源電壓Vgs，漏源電壓Vds和漏源電流Ids的變化示意圖如下所示。

在0~t1階段，肖特基二極管D2尚未開啟，所以Vgs等於0，在這段時間內，-48V電源通過R3、R5對C2充電，等C2的電壓升高到D2的開啟電壓
，MOS管的柵極電壓開始升高，等柵源電壓升高到MOS管的開啟電壓Vth時，MOS管導通，漏源電流Ids開始增大，等MOS管的柵源電壓升高到平台電壓Vplt時，漏源電流Ids也達到最大，此時，漏源電壓Vds進入飽和，開始下降，平台電壓Vplt結束時，MOS管完全導通
，漏源電壓降到最低
，MOS管的導通電阻Rds最小。

在電信工業和微波電路設計領域，普遍使用MOS管控製衝擊電流的方達到電流緩啟動的目的。MOS管有導通阻抗Rds_on低和驅動簡單的特點，在周圍加上少量元器件就可以構成緩慢啟動電路。雖然電路比較簡單，但隻有吃透MOS管的相關開關特性後才能對這個電路有深入的理解。

本文首先從MOSFET的開通過程進行敘述：

盡管MOSFET在開關電源
、電機控製等一些電子係統中得到廣泛的應用

，但是許多電子工程師並沒有十分清楚的理解MOSFET開關過程，以及MOSFET在開關過程中所處的狀態一般來說，電子工程師通常基於柵極電荷理解MOSFET的開通的過程
，如圖1所示此圖在MOSFET數據表中可以查到

圖1 AOT460柵極電荷特性

MOSFET的D和S極加電壓為VDD，當驅動開通脈衝加到MOSFET的G和S極時，輸入電容Ciss充電

，G和S極電壓Vgs線性上升並到達門檻電壓VGS(th)，Vgs上升到VGS(th)之前漏極電流Id≈0A，沒有漏極電流流過
，Vds的電壓保持VDD不變。

當Vgs到達VGS(th)時
，漏極開始流過電流Id，然後Vgs繼續上升，Id也逐漸上升，Vds仍然保持VDD當Vgs到達米勒平台電壓VGS(pl)時，Id也上升到負載電流最大值ID，Vds的電壓開始從VDD下降。

米勒平台期間

，Id電流維持ID


，Vds電壓不斷降低。

米勒平台結束時刻，Id電流仍然維持ID
，Vds電壓降低到一個較低的值米勒平台結束後，Id電流仍然維持ID，Vds電壓繼續降低
，但此時降低的斜率很小，因此降低的幅度也很小

，最後穩定在Vds=Id×Rds(on)因此通常可以認為米勒平台結束後MOSFET基本上已經導通。

對於上述的過程，理解難點在於為什麼在米勒平台區
，Vgs的電壓恒定？驅動電路仍然對柵極提供驅動電流
，仍然對柵極電容充電
，為什麼柵極的電壓不上升？而且柵極電荷特性對於形象的理解MOSFET的開通過程並不直觀因此，下麵將基於漏極導通特性理解MOSFET開通過程。

MOSFET的漏極導通特性與開關過程。

MOSFET的漏極導通特性如圖2所示MOSFET與三極管一樣，當MOSFET應用於放大電路時
，通常要使用此曲線研究其放大特性隻是三極管使用的基極電流
、集電極電流和放大倍數，而MOSFET使用柵極電壓、漏極電流和跨導。

圖2 AOT460的漏極導通特性

三極管有三個工作區：截止區、放大區和飽和區
，MOSFET對應是關斷區

、恒流區和可變電阻區注意：MOSFET恒流區有時也稱飽和區或放大區當驅動開通脈衝加到MOSFET的G和S極時
，Vgs的電壓逐漸升高時，MOSFET的開通軌跡A-B-C-D如圖3中的路線所示

圖3 AOT460的開通軌跡

開通前，MOSFET起始工作點位於圖3的右下角A點，AOT460的VDD電壓為48V

，Vgs的電壓逐漸升高，Id電流為0
，Vgs的電壓達到VGS(th)，Id電流從0開始逐漸增大

A-B就是Vgs的電壓從VGS(th)增加到VGS(pl)的過程從A到B點的過程中
，可以非常直觀的發現，此過程工作於MOSFET的恒流區，也就是Vgs電壓和Id電流自動找平衡的過程
，即Vgs電壓的變化伴隨著Id電流相應的變化，其變化關係就是MOSFET的跨導：Gfs=Id/Vgs
，跨導可以在MOSFET數據表中查到

當Id電流達到負載的最大允許電流ID時
，此時對應的柵級電壓Vgs(pl)=Id/gFS由於此時Id電流恒定，因此柵極Vgs電壓也恒定不變，見圖3中的B-C，此時MOSFET處於相對穩定的恒流區，工作於放大器的狀態

開通前
，Vgd的電壓為Vgs-Vds
，為負壓，進入米勒平台，Vgd的負電壓絕對值不斷下降，過0後轉為正電壓驅動電路的電流絕大部分流過CGD，以掃除米勒電容的電荷，因此柵極的電壓基本維持不變Vds電壓降低到很低的值後
，米勒電容的電荷基本上被掃除，即圖3中的C點

，於是，柵極的電壓在驅動電流的充電下又開始升高，如圖3中的C-D，使MOSFET進一步完全導通

C-D為可變電阻區，相應的Vgs電壓對應著一定的Vds電壓Vgs電壓達到最大值，Vds電壓達到最小值，由於Id電流為ID恒定
，因此Vds的電壓即為ID和MOSFET的導通電阻的乘積

基於MOSFET的漏極導通特性曲線可以直觀的理解MOSFET開通時，跨越關斷區、恒流區和可變電阻區的過程米勒平台即為恒流區，MOSFET工作於放大狀態，Id電流為Vgs電壓和跨導乘積

電路原理詳細說明：

MOS管是電壓控製器件，其極間電容等效電路如圖4所示。

圖4. 帶外接電容C2的N型MOS管極間電容等效電路

MOS管的極間電容柵漏電容Cgd
、柵源電容Cgs、漏源電容Cds可以由以下公式確定：

公式中MOS管的反饋電容Crss,輸入電容Ciss和輸出電容Coss的數值在MOS管的手冊上可以查到。

電容充放電快慢決定MOS管開通和關斷的快慢，Vgs首先給Cgs 充電，隨著Vgs的上升，使得MOS管從截止區進入可變電阻區。進入可變電阻區後，Ids電流增大，但是Vds電壓不變。隨著Vgs的持續增大，MOS管進入米勒平台區，在米勒平台區，Vgs維持不變
，電荷都給Cgd 充電，Ids不變，Vds持續降低。在米勒平台後期，MOS管Vds非常小，MOS進入了飽和導通期。為確保MOS管狀態間轉換是線性的和可預知的，外接電容C2並聯在Cgd上
，如果外接電容C2比MOS管內部柵漏電容Cgd大很多

，就會減小MOS管內部非線性柵漏電容Cgd在狀態間轉換時的作用，另外可以達到增大米勒平台時間
，減緩電壓下降的速度的目的。外接電容C2被用來作為積分器對MOS管的開關特性進行精確控製。控製了漏極電壓線性度就能精確控製衝擊電流。

電路描述：

圖5所示為基於MOS管的自啟動有源衝擊電流限製法電路。MOS管 Q1放在DC/DC電源模塊的負電壓輸入端，在上電瞬間，DC/DC電源模塊的第1腳電平和第4腳一樣，然後控製電路按一定的速率將它降到負電壓，電壓下降的速度由時間常數C2*R2決定，這個斜率決定了最大衝擊電流。

C2可以按以下公式選定：

R2由允許衝擊電流決定：

其中Vmax為最大輸入電壓
，Cload為C3和DC/DC電源模塊內部電容的總和

，Iinrush為允許衝擊電流的幅度。

圖5 有源衝擊電流限製法電路

D1是一個穩壓二極管
，用來限製MOS管 Q1的柵源電壓。元器件R1，C1和D2用來保證MOS管Q1在剛上電時保持關斷狀態。具體情況是：

上電後，MOS管的柵極電壓要慢慢上升

，當柵源電壓Vgs高到一定程度後，二極管D2導通，這樣所有的電荷都給電容C1以時間常數R1×C1充電
，柵源電壓Vgs以相同的速度上升，直到MOS管Q1導通產生衝擊電流。

以下是計算C1和R1的公式：

其中Vth為MOS管Q1的最小門檻電壓，VD2為二極管D2的正向導通壓降
，Vplt為產生Iinrush衝擊電流時的柵源電壓。Vplt可以在MOS管供應商所提供的產品資料裏找到。

MOS管選擇

以下參數對於有源衝擊電流限製電路的MOS管選擇非常重要：

l 漏極擊穿電壓 Vds

必須選擇Vds比最大輸入電壓Vmax和最大輸入瞬態電壓還要高的MOS管，對於通訊係統中用的MOS管，一般選擇Vds≥100V。

l 柵源電壓Vgs

穩壓管D1是用來保護MOS管Q1的柵極以防止其過壓擊穿
，顯然MOS管Q1的柵源電壓Vgs必須高於穩壓管D1的最大反向擊穿電壓。一般MOS管的柵源電壓Vgs為20V，推薦12V的穩壓二極管。

l 導通電阻Rds_on.

MOS管必須能夠耗散導通電阻Rds_on所引起的熱量
，熱耗計算公式為：

其中Idc為DC/DC電源的最大輸入電流，Idc由以下公式確定：

其中Pout為DC/DC電源的最大輸出功率，Vmin為最小輸入電壓，η為DC/DC電源在輸入電壓為Vmin輸出功率為Pout時的效率。η可以在DC/DC電源供應商所提供的數據手冊裏查到。MOS管的Rds_on必須很小，它所引起的壓降和輸入電壓相比才可以忽略。

圖6. 有源衝擊電流限製電路在75V輸入，DC/DC輸出空載時的波形

設計舉例

已知：Vmax=72V

Iinrush=3A

選擇MOS管Q1為IRF540S

選擇二極管D2為BAS21

按公式（4）計算：C2>>1700pF。選擇 C2=0.01μF;

按公式（5）計算：R2=252.5kW。選擇 R2=240kW
，選擇R3=270W<<R2;

按公式（7）計算：C1=0.75μF。選擇 C1=1μF;

按公式（8）計算：R1=499.5W。選擇 R1=1kW

圖6所示為圖5 電路的實測波形

，其中DC/DC電源輸出為空載。

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