【摘要】
通信产品通常使用分散供电方式,每个单板都采用DC/DC模块将-48V电源转换为所需的5V、3.3V、2.5V等子电源。由于输入电压较高,并且电源
电路中存在用于滤波和防止DIP的大电容器,当单板插入上电时,会对-48V电源造成冲击。这种瞬时大电流会导致-48V电源电压出现跌落,可能影响其他单板的正常工作。此外,由于瞬时大电流的原因,单板插入时在接插件上会产生明显的打火现象,从而引起电磁干扰并腐蚀接插件。为了避免以上问题,-48V电源供电单板需要实施"缓慢"上电策略。
几乎所有通信设备产品的单板上,电源模块的输入端都设计有缓启动电路,该电路具备以下两个主要功能:
1、延迟单板电源的上电时间:我们的单板一般需要支持热插拔功能。当单板插入子机架时,单板插头与母板插针的接触不稳定。为了避免这种接触抖动的影响,可以在电源模块和母板电源之间添加一个电路,使得母板的电源延迟一段时间后再连接到电源模块。
2、减小上电时的冲击电流:由于单板电源都连接有滤波电容器,当电源瞬间跳变时,由于电容器充电的原因,会产生较大的冲击电流。这会导致母板电源电压抖动、下降以及强烈的电磁辐射。这种情况很容易对其他正在工作的单板造成不良影响。如果能够减缓电源的上电速度,将能有效地减小这种影响。
二、缓启动电路的运行原理
电路的原理图:
缓启动电路由R39,R49,C7和Q31组成,Q31是绝缘栅型场效应管,也是缓启动电路最关键的元件。为了理解缓启动的原理,我们首先回顾一些关于MOS管的基础知识。下图大致描述了典型MOS管的传输特性:
MOS管的特性表明,当Vgs小于某个电压(Vth)时,DS极之间的电阻Rds很大,相当于开路状态,电流无法通过;当Vgs达到Vth时,MOS管开始导通,Rds随着Vgs增加而急剧减小。当Vgs达到一定程度时,Rds非常小,可以近似看作是短路状态。Vth通常称为门槛电压(Voltage Gate threshold),一般为2-4V。
在缓启动电路中,电阻R39,R49和电容C7构成了一个分压式RC时间常数电路,C7并联在Q31的GS极之间,即Vc7=Vgs。当48V电源刚加到单板上时,C7未充电,Vgs=0,MOS不导通,电源模块不供电。随后,48V通过R39,R49充电C7,当C7的电压达到Vth时,MOS开始导通。这个阶段实现了延迟上电的功能,延迟时间可以通过以下公式估算:
Uin(R39/(R39+R49))(1-e^-T/τ)=Vth
其中,T为延迟时间,Uin=48V,τ为RC电路的时间常数,τ=C7(R39∥R49),Vth一般取4V。将原理图中的数值代入计算可知,延迟时间T约为15.3ms。
当MOS管开始导通后,Vgs继续增加(直到约12V),Rds急剧减小,缓启动的输出电压逐渐升高,直到与输入电压基本一致。此时电源模块开始工作,单板正式上电。在这个过程中,输出电压不会瞬间跳变到最高值,从而大大减轻了冲击电流对系统的干扰。该过程的时间取决于C7的充电速度、MOS管的特性以及负载特性,因此很难进行具体计算,需要根据实际测试和调整。
三、实测波形分析
下面的图示展示了缓启动的输入电压上电波形。
输入电压上电波形
该波形显示了在电源开合瞬间,输入端出现的抖动现象,持续时间约为1ms。如果是热插拔操作,则抖动的幅度和持续时间可能更大。
接下来的图示展示了C7电压上升的波形。
C7电压上升波形
可以观察到,在上电经过约15ms后,C7电压上升到约4V,与理论计算值基本一致。
再来看下面的图示展示了MOS管的D和S间的电压波形。
MOS管的D和S间电压波形
可以观察到,在开合后的14ms内,输入电压完全加在MOS管的DS两端,与理论计算值基本一致(考虑到MOS管的Vth并非总是准确的4V,误差是正常的)。从14ms开始,Vds以指数方式下降,过程持续约4ms。
最后,我们来看下面的图示展示了输出电压的波形。
输出电压波形
与缓启动的输入电压上电波形相比,可以观察到缓启动的输出电压不再有开合时的抖动,并且上升边沿非常明显,过程持续约4ms,实现了减小上电冲击的目标。
让我们将所有波形放在同一时间轴上进行比较,如下图所示:
所有波形比较
经过缓启动电路处理后,单板的实际供电电压(Uout)相对于输入电压(Uin)延迟了近20ms。这不仅消除了上电抖动,还有效减小了冲击效应。
四、总结
缓启动的时间常数电路需要确保电容充电后的电压不超过15V,因为一般大功率MOS管的G和S之间的击穿电压约为20V,过高的电压会损坏MOS管(现在许多单板上通过在电容两端并联稳压管来实现此目的)。然而,电压也不应低于10V,因为一般大功率MOS管的D和S之间的电阻Rds需要Vgs达到10V后才能达到最小值(通常在0.1欧姆量级)。
缓启动的延迟时间不能太长,原因有两点。首先,在热插拔时,单板接口信号线已连接,但电源尚未上电,如果延迟时间过长,可能导致接口器件闩锁损坏。其次,关键的缓启动器件MOS管在从截止到导通转换的过程中瞬间功耗非常大。如果电容充电过慢,导致边沿时间过长,MOS管由于功耗过大而可能损坏。一般来说,延迟时间取几十毫秒较为合适。