我們日常生活中總會接觸到很多充電設備,如筆記本,拓展塢等,在這些設備中為了保證電源的穩定性會使用比較多的電容,這能夠保證設備電源穩定,但同時也會帶來問題,如初始上電時,給電容充電,如果電容數量比較多,容值比較大,那么它的inrush Current將會很高,尤其是DC電源入口端,就有可能會出現給幾百上千uF電容充電的情況。
那么如何避免inrush current,就是各個設備廠商需要解決的問題。
最簡單的方式,找一顆帶軟啟動的芯片,這樣inrush current可以限制到很小。我這里不對這一方式就是介紹,因為,只需要看芯片的使用規格即可,沒啥好講的。
所謂的帶軟啟動的芯片,本質是什么呢?它為什么可以消除inrush current呢?如果使用過這類芯片,你就會發現,所謂的軟啟動,就是開關芯片的輸出從0到完全輸出是一個相對固定的時間,即“緩慢上電”,在低電壓的時候,電容的充電電流會小很多,同時芯片內部的MOSFET阻抗會大很多,有一個限流的作用,然后慢慢的一步一步將開關導通,這樣就可以將inrush current消除。
知道了上面的工作原理,那我們是不是可以通過一個外部的MOSFET就可以實現消除inrush current呢?這樣的成本肯定會低于專門采購一顆帶軟啟動的芯片的。
我們以PMOSFET為例,如果我們讓PMOSFET的Vgs電壓緩慢上升,直至達到MOSFET的導通閾值Vth,是不是就可以實現消除inrush current了呢?如下圖所示:
其中,假定C1 1000uF作為負載電容,如果不做任何處理,對1000uF的電容充電,那么inrush current還是會比較大的。上圖中,Q1和Q2是PMOSFET,作為路徑的導通,如果將圖中C2容值調大,即Q1和Q2的Vgs上升就會比較緩慢,這個時候,負載端的電壓上升就會變緩慢,同時,Q1和Q2的的放大區時間延長,在放大區較大的阻抗會進行限流,進而消除inrush current。
那么,上面的電路有沒有缺點呢?當然會有,C2電容選取越大,Q1和Q2處于放大區的時間越久,MOSFET發熱量會越大,這個時候就會很容易將MOSFET燒掉。因此,C2的電容值也不能太大,需要選取一個中間值。這個中間值的選取將是一個比較大的麻煩,而且MOSFET的不一樣,會導致C2的不一樣,而且,很有可能沒有一個比較理想的中間值。
我們繼續對上面的電流進行改進,如果在MOSFET工作在放大區的時候,我們引入另外一路供電路徑,對電容進行預充,那是不是就可以減小MOSFET的壓力,這樣C2電容的選取就更加容易方便了呢?如下圖所示:
上圖中,利用PNP三極管或者小的PMOSFET管來格外增加了供電路徑2,當輸入電源接上,C2電容充電過程中,路徑2的PNP或者PMOSFET會先一步導通,此時,R5,R6,R7會對充電電流進行限流,保證預充電流不會超出規格范圍。C2充電過程中,MOSFET的阻抗會比較大,充電電流會預先通過路徑2,這樣,Q1和Q2的發熱會有明顯降低,進而保護Q1和Q2不被損壞,相應的C2的選值范圍可以大一些。
以上就是消除inrush current的電路。當然,這個電路也有一定的缺點,如會增加待機功耗,PCB的面積會增加,等等。
我這里只是提供一個最基礎的思路,如待機功耗的增加,可以通過MCU的GPIO pin在起電之后,將路徑2關掉等,可以一定程度進一步優化該電路。我這里不做更多的拓展了,希望對大家有所幫助。
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