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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。
既然带“软”开启功能,不妨把这个电路理解为一个“软”妹纸,让咱们深入去了解她吧!
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。
▲图1: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。
▲图2: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,见图3。
▲图3: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,见图4。
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。
▲图5: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。
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关闭不导通。然后电容C1与G极相连端通过电阻R2、R1放电,电压逐渐上升到5V。最终电容C1放电完毕两端电压差变为0,即MOS管Q1的Vgs = 0,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。
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。
最后:啰里啰嗦讲软启动,绕得头都晕了,放松一下眼睛吧,软妹纸鼓励大家继续加油哦~
2020年3月18日 下午5:28 沙发
MOS管有直插式的推荐吗,谢谢啦
2020年3月20日 下午9:36 1层
@JOU 要有应用场景才能选型的,比如MOS管选型起码要知道是用在多大的电压、通过多大的电流。
2020年4月16日 下午5:07 板凳
你好,我想请问一下,当Control切换到低电平时,三极管Q2被截止,这时电容两端的电压是5V,那么电容时如何通过R2进行放电的呢?它放电的回路是不是C1,R1,R2 ???此时的整个电路电流流向是什么的??
2020年4月25日 下午11:58 1层
@夕锟斤拷锟斤拷锟斤拷 电流的流向是:+5V_IN->R1->R2->电容C1与G极相连端。
2020年10月11日 下午10:32 地板
写的很好,有个小建议,关于电流计算的公式“I = (CU) / t”,实际上对电容充电电流并不是恒定的,更准确的写法是I=dQ/dt=d(CU)/dt
2020年10月13日 上午9:48 1层
@锟斤拷锟斤拷 评论很棒,点赞!实时瞬间电流的计算公式为:i = dQ / dt = d(C*u) / dt = C * du / dt
正文中为避免写得太复杂,微分公式就补充到这里吧
2020年12月28日 下午9:08 4楼
请问一下我使用的这个电路,导通后再想关断,无法完全关断,3.3v电源开关,检测到mosfet的漏极电压仍然有2.57v
2020年12月30日 下午2:59 1层
@Rime 把三极管Q2焊掉,这时候MOS管Q1要求是关断的。如果MOS管Q1确实关断了,那么三极管Q2这边异常;如果MOS管Q1没有关断,那么是MOS管Q1这边异常,请检查电路,也可能管子坏了。调试的时候可以把电容C1去掉,避免因它带来问题。要进一步讨论,欢迎关注微信公众号“电路啊”,嘿嘿。
2021年1月4日 下午5:00 5楼
MOS管降额不能简单的按30%算,要根据散热条件工作环温来综合考虑,计算时按照规格书给出的最大结温,封装热阻,来计算降额,要保证不会超过最大结温,而且要留足余量保证寿命
2021年1月8日 下午6:13 1层
@锟斤拷森 很棒的留言,赞!
2022年11月12日 上午11:31 6楼
大佬您好,我想借用您的原理图做一个,mcu控制typec加热器的开关控制板子,一般c口都能跑到2A的电流,明显这个wpm234a带不动,想换成更大功率的pmos,比如ap40p05、ao4459之类的,可以直接替换么?