電源的放反接設(shè)計(jì)

在實(shí)際電路調(diào)試中，會(huì)因小失誤將電源的正負(fù)極接反，從而導(dǎo)致電路中的相關(guān)器件損壞。即在電路設(shè)計(jì)中，增加適當(dāng)?shù)姆婪唇与娐?。比較簡(jiǎn)單的電路，即在電源的輸入端串聯(lián)一個(gè)二極管，有效避免電源反接

但，對(duì)于二極管的防反接電路中，由于二極管的特性，其存在一定的壓降。以壓降比較低的肖特基二極管SS14，其在負(fù)載電流為1A時(shí)的正向壓降有550mV，則二極管損失的功耗就是550mW，損耗大。為了降低損耗，可考慮使用MOS管在設(shè)計(jì)防反接電路，因?yàn)镸OS管在完全導(dǎo)通時(shí)，它的內(nèi)阻比較小。
如下MOS管的防反接電路

a：R1、R2為分壓電阻，D為齊納二極管（穩(wěn)壓二極管），Q為N溝道MOS管。工作原理：當(dāng)電源接入正確時(shí)，R1、R2串聯(lián)分壓，R2為Vgs兩端提供正向的壓降，MOS管DS兩端溝道導(dǎo)通，為負(fù)載提供電流回路。其中D為過(guò)電壓保護(hù)二極管，保護(hù)MOS管，防止MOS管Vgs電壓過(guò)高對(duì)MOS管產(chǎn)生損壞。

當(dāng)MOS管完全導(dǎo)通時(shí)，對(duì)于一般的NMOS管來(lái)說(shuō)，其Rds可以選用幾 mΩ的，其在1A負(fù)載電流時(shí)的損耗大約在幾mW左右。相對(duì)于二極管的550mW的功耗，使用MOS管，能夠有效的降低電源輸入的損失。

當(dāng)電源反接時(shí)，柵源兩極并不存在正向電壓差，所以漏源兩極無(wú)法形成導(dǎo)電溝道，MOS管電阻值Rds很大，相當(dāng)于開(kāi)路狀態(tài)，電路無(wú)法形成電流回路，故而起到防止反接的作用。

b：P溝道MOS管設(shè)計(jì)的防反接電路。
工作原理：NMOS相同，都是通過(guò)MOS管柵源兩極的正向電壓使漏源兩極想成導(dǎo)電溝道。一般NMOS的導(dǎo)通電阻比PMOS的要小，因此常選擇NMOS。

電源輸入的緩啟動(dòng)

在電源輸入的設(shè)計(jì)中，增加緩啟動(dòng)電路可以有效的避免電源起動(dòng)時(shí)的沖擊影響，電源的緩啟動(dòng)電路如下圖所示：
緩啟動(dòng)電路

以MOS管BSC014N06NS為例進(jìn)行闡述緩啟動(dòng)電路的啟動(dòng)過(guò)程。其導(dǎo)通電阻典型值為1.4mΩ，耐壓值為60V。必要要先搞清楚BSC014N06NS的相關(guān)參數(shù)，以及電路中元件的主要作用。在BSC014N06NS數(shù)手冊(cè)中可知：
Ciss(MAX) = 8125pF；
Coss(MAX) = 1875pF；
Crss(MAX) = 118pF；
輸出電壓的輸出斜率主要受R4與C2決定。
對(duì)于C2的取值應(yīng)滿足要求
C2 >> (Cgs + Cgd)
其中Cgs = Ciss - Crss；Cgd = Crss
C2 >> 8125pF
C2的取值可以取100nF
根據(jù)C2設(shè)計(jì)輸出電壓斜率的時(shí)間常數(shù)τ1，根據(jù)一階電容的零輸入響應(yīng)可知：τ1 = R2*C2。若設(shè)計(jì)時(shí)間常數(shù)τ1 = 100ms，則R2取值為1MΩ。還要滿足R4<< R2，而R5的作用是為了防止MOS管產(chǎn)生自激振蕩，一般取值很小。由BSC014N06NS數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，Vgs(th)最大值為3.3V，當(dāng)MOS管導(dǎo)通之后，導(dǎo)通電阻Rds與Id之間的關(guān)系如下圖所示：

MOS導(dǎo)通后Rds與Id關(guān)系圖

當(dāng)Vgs ≥ 6V時(shí)，漏源之間的導(dǎo)通電阻Rds輸出隨電流之間的變化較小。
由數(shù)據(jù)手冊(cè)，其測(cè)試數(shù)據(jù)如表1-1

BSC014N06NS導(dǎo)通電壓Vgs≥6V，此刻取值為6V。
由測(cè)試數(shù)據(jù)可知，當(dāng)Vgs = 6V、Id = 12.5A時(shí)，漏源之間的導(dǎo)通電阻Rds = 1.6mΩ，一般情況下，在電子電路中其電流值不會(huì)超過(guò)12.5A。
為降低支路損耗，可將分壓支路總電阻設(shè)計(jì)到200k歐姆左右。

在電源電壓為12V時(shí)，則其支路損耗電流為0.06mA，支路損耗為0.72mW，均可忽略不計(jì)。
采用2個(gè)完全相同的100k電阻串聯(lián)實(shí)現(xiàn)分壓。
防止過(guò)電壓對(duì)MOS管產(chǎn)生損害，在MOS管的柵源兩極并聯(lián)一個(gè)保護(hù)二極管。
二極管V2的關(guān)斷電壓為7V，反向擊穿電壓最小值為7.78V，鉗位電壓為12V。而MOS管的柵源電壓工作范圍為±20V，能夠滿足保護(hù)要求。

電容C1與R1、R2組成的RC電路主要只要作用時(shí)，為了保證在上電瞬間MOS管處于截至狀態(tài)，起到延時(shí)開(kāi)通電路的作用。

其延時(shí)的時(shí)間常數(shù)主要取決于τ2
根據(jù)一階電容的零輸入響應(yīng)有：
τ2 = (R1 + R2) * C1
R3作用：
1.為了給MOS的提供Vgs需要的電壓，
2.在斷電時(shí)，給電容提供放電回路，其放電時(shí)間常數(shù)可根據(jù)電容的零狀態(tài)響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算。
通過(guò)Multisim仿真來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明電路的工作原理，其仿真圖可直接下載文件仿真。在仿真文件中圖中C3、C4、C5、C6為去耦電容，在整個(gè)電路緩啟動(dòng)過(guò)行程中不起作用。電源電壓取12V，負(fù)載取值為1K。

上電瞬間，MOS管柵源電壓為0，MOS管處于截至狀態(tài)，漏源(DS)兩端電壓等于電源電壓，即Vgs = 12V。當(dāng)二級(jí)管導(dǎo)通后，柵極電壓隨著電容C1變化。此時(shí)MOS管任然工作在截至狀態(tài)，截至狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間主要取決于時(shí)間常數(shù)R1*C1

當(dāng)電壓升高到Vgs = Vgs(th)時(shí)，MOS管開(kāi)始導(dǎo)通此時(shí)Ids開(kāi)始有電流流過(guò)，由于DS之間還未完全導(dǎo)通，Vds之間的電壓下降的并不明顯。當(dāng)柵極繼續(xù)充電進(jìn)入米勒平臺(tái)后，其柵極電壓保持不變，二極管D1處于截至狀態(tài)。

米勒平臺(tái)持續(xù)時(shí)間主要取決于電容C2，此時(shí)，MOS管DS兩端電壓開(kāi)始以時(shí)間常數(shù)R2*C2下降。當(dāng)柵極電荷充滿后，MOS管完全導(dǎo)通，此時(shí)MOS管的漏源電壓Vds = 0V，此時(shí)負(fù)載電壓和電流均達(dá)到最大值。在此過(guò)程中，負(fù)載電壓和電流也按照相同的斜率進(jìn)行上升。

仿真緩啟動(dòng)波形圖

示波器XSC1中紅色曲線是MOS管漏源電壓Vds，
藍(lán)色曲線：柵源電壓Vgs
綠色曲線：C1兩端電壓
示波器XSC2紅線：負(fù)載電壓曲線
橙色線：負(fù)載電流曲線
藍(lán)色豎線：進(jìn)入米勒平臺(tái)，電路的換啟動(dòng)過(guò)程，米勒平臺(tái)結(jié)束，緩啟動(dòng)完成。
綜上所述，閉合開(kāi)關(guān)后緩啟動(dòng)電路有三個(gè)階段的工作狀態(tài)。
第一階段：MOS管截至，截止持續(xù)時(shí)間取決于時(shí)間常數(shù)R1*C1。
第二階段：也是緩啟動(dòng)電路的緩啟動(dòng)過(guò)程，在此過(guò)程中電路的啟動(dòng)斜率主要取決于時(shí)間常數(shù)R2*C2，此階段Vgs處于米勒平臺(tái)區(qū)間，這個(gè)階段是整個(gè)電路的核心階段。
第三個(gè)階段：米勒平臺(tái)結(jié)束，MOS管完全導(dǎo)通，整個(gè)電路也完全導(dǎo)通。

編輯：黃飛

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