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摘要：在很多消費電子設備中用到了軟啟動電路與防反接電路，其保護作用非常顯著。多數的設計中，這兩種電路獨立存在，或者僅有一種保護電路，導致部分保護功能缺失或者電路設計復雜。本設計提出一種設計方法，同時實現軟啟動與防反接保護功能，且電路簡單。 軟啟動與防反接保護電路對電子設備有很好的保護作用，由于消費電子客戶存在多次開關機的應用場景和輸入接反的可能性。但是由于成本與電路設計的復雜性，很多設計中只提供了一種保護電路。本文基于提供全面保護與降低成本、降低設計復雜性的角度，提出一種電路，整合了軟啟動與防反接保護功能，電路結構簡單、占用面積小，以供讀者參考。 1 軟啟動電路的作用 一般電路設計中都會使用較多的電容來儲能[1]、去耦合[2]，在設備上電時會對這些電容進行充電，如果沒有限流電路，沖擊電流會較大，會導致設備工作異常，甚至損壞。軟啟動電路的目的是在設備上電初期限制沖擊電流的大小，進入穩態后，軟啟電路的限流作用幾乎消失，產生的損耗可以忽略不計。 2 軟啟動電路 常見的軟啟動有以下幾種： 2.1 熱敏電阻軟啟動電路 此方式的軟啟電路主要用在高電壓低電流的電路中，比如：市電輸入的設備中全橋整流后儲能電容輸入處經常采用此種保護電路。電路圖見圖1。 其中電阻R1采用負溫度系數的熱敏電阻，在冷態時電阻較大，當電路上電時，電流流過熱敏電阻，熱敏電阻起到限制電流的作用，其本身將會消耗一部分電能，轉換為熱能，隨著工作的時間加長，其自身的溫度升高，其電阻值將降低，損耗將降低。此電路的優點：電路簡單、可靠性高，缺點：有一定的能量消耗。 2.2 繼電器與電阻組成軟啟動電路 此方式在較早期的電路中應用較廣泛，采用此方式的電路對功耗敏感或者工作電流較大，其電路圖見圖2。 其中開關經常使用繼電器，繼電器J1的導通電阻遠小于電阻R1。此電路中開關的控制需要外加控制信號，通常加一延時邏輯控制電路，當設備上電后，電容C1通過R1充電，C1充滿電后，繼電器J1閉合，工作電流主要流經繼電器，電阻R1被旁路，設備開始正常工作。此電路的優點：軟啟效果較好，能有效防止上電沖擊;缺點：電路復雜，成本高，繼電器閉合時，可能會出現電弧現象[3]，影響繼電器的壽命，對開關設備的次數、頻率有限制。 2.3 利用增強型MOSFET設計軟啟動電路 利用MOSFET設計的軟啟動電路也比較常用，利用MOSFET的工作區域[4]的變化、內阻的變化，達到限制沖擊電流的效果。實際設計分為兩種：一種為用N溝道MOSFET設計的軟啟動電路;另外一種為用P溝道MOSFET設計的軟啟動電路。下面分別介紹這兩種電路。 2.3.1 用N溝道MOSFET設計的軟啟動電路 利用N溝道MOSFET設計的軟啟電路，電路圖見圖3。 工作原理：當輸入上電時，由于C1的電壓不能突變，輸入電壓通過R1對C1進行充電，充電時間由R1與C1共同決定，最終C1電壓達到R2上的分壓。C1上的電壓也即是Q1的柵極源極之間(N溝道MOSFET的導通條件為柵極電壓高于源極電壓)的電壓，電壓是從零開始，Q1的工作狀態也即是從截止區[4]到恒阻區[4]，再從恒阻區到飽和區[4]，在恒阻區時能起到很好的軟啟動作用，最終的飽和區導通電阻很小，其耗散功率可以忽略。利用N溝道MOSFET做軟啟動比較常見，N溝道MOSFET的價格較便宜，此電路的輸入與輸出的參考地不同(相差很小)，實際應用中需要注意。 2.3.2 用P溝道MOSFET設計的軟啟動電路 利用P溝道MOSFET設計的軟啟電路，電路圖見圖4。 工作原理：當輸入上電時，由于C1的電壓不能突變，輸入電壓通過R2對C1進行充電，充電時間由R2與C1共同決定，最終C1電壓達到R1上的分壓。C1上的電壓也即是Q1的柵極源極之間(P溝道MOSFET的導通條件為柵極電壓低于源極電壓)的電壓，電壓是從零開始，Q1的工作狀態也即是從截止區[4]到恒阻區[4]，再從恒阻區到飽和區[4]，在恒阻區時能起到很好的軟啟動作用，最終的飽和區的導通電阻很小，其耗散功率可以忽略。利用P溝道MOSFET設計的軟啟動電路，輸入輸出的參考地相同，相同性能的P溝道MOSFET相對N溝道的MOSFET的價格稍高。 3 防反接電路的作用 由于直流電輸入是有極性的，如果用戶將電源極性接反時，可能會損壞設備。故在多數的直流輸入設備中，均會設計防反接保護電路。 4 防反接電路 常見防反接電路有以下幾種： 4.1 二極管防反接保護 二極管防反接電路有以下兩種： 4.1.1 單二極管防反接保護電路 此方式的防反接電路應用較廣泛，利用二極管單向導通的特性來防反接。主要是在高電壓、低電流的電路中，電路圖見圖5。 此處使用的二極管D1可以是普通的二極管，但結電壓一般在0.7伏[4]左右。如果對效率較敏感，可以使用肖特基二極管，其結電壓一般在0.3伏[4]左右，但是價格稍高。此電路的優點是電路極其簡單、可靠性高，缺點是耗散功率較大。 4.1.2. 二極管橋防反接保護電路 此方式是從二極管防反接電路演變而來的，電路圖見圖6。 此電路中利用二極管構成二極管橋堆，輸入電壓極性無論如何變化，輸出電壓的極性保持不變，即便是輸入電壓極性接反，設備也能正常工作。從工作原理看，相當于電源輸入的兩個極性上均接有防反接二極管，故其比單個二極管防反接電路的效率低，成本稍高。需要注意輸入輸出的參考地不相同。 4.2 MOSFET防反接保護電路 利用MOSFET設計防反接保護，也分為P溝道與N溝道兩種，下面分別介紹： 4.2.1 N溝道MOSFET防反接電路 利用N溝道MOSFET設計的防反接保護電路，電路圖見圖7。 當輸入電壓正常接入時，電流從輸入正極流入，流經電阻R1、R2，經過Q1的體二極管流回輸入端。Q1柵極源極之間電壓即為電阻R2上的分壓，選擇適當的R1、R2值，滿足Q1飽和導通。當輸入電壓極性接反時，Q1的體二極管反向截止，由于沒有電流回路，柵極源極之間電壓無偏置電壓，Q1不能導通，輸出端無電壓輸出，設備不工作。需要注意兩點：Q1的體二極管參與電阻R1、R2的分壓;輸入輸出的參考地不相同。 4.2.2 P溝道MOSFET防反接電路 利用P溝道MOSFET設計的防反接保護電路，電路圖見圖8。 當輸入電壓正常接入時，電流從輸入正極流入，流經Q1體二極管，經過R1、R2流回輸入端。Q1上柵極源極之間電壓即為R1的分壓，選擇適當的R1、R2值，Q1最終工作在飽和狀態。當輸入極性接反時，由于Q1的體二極管截止，無電流回路，柵極源極之間電壓無電壓偏置，Q1不能導通。需要注意，Q1的體二極管參與電阻R1、R2的分壓。 5 一種軟啟動與防反接電路 實際應用中經常需要同時使用軟啟動與防反接保護，可以考慮將兩種保護電路整合在一起，下面給出一種整合方式供大家參考，分為N溝道MOSFET與P溝道MOSFET兩種。 5.1 N溝道MOSFET整合 N溝道MOSFET整合后的軟啟動與防反接保護電路，電路圖見圖9。 當輸入電壓正常接入時，偏置部分電流經過R1、R2，通過Q2的體二極管回到輸入端，R2上的分壓即為Q1、Q2的柵極源極間電壓，由于C1的作用，柵極源極之間的電壓從零開始逐漸升高，Q1、Q2緩慢地進入飽和區，起到軟啟動的作用。當輸入電壓反接時，由于Q2的體二極管反向截止，無偏置電流回路，電路不工作，起到防反接保護的作用。可以看出Q2起到防反接保護的作用，Q1起到軟啟動的作用。需要注意：輸入、輸出參考地不相同。 實際中Q1、Q2可被封裝在一起，市面上有較多此類芯片，例如IRL6372PbF，其飽和導通電阻在17.9mΩ[5]，其上消耗的功率可以忽略。 5.2 P溝道MOSFET整合 P溝道MOSFET整合后的軟啟動與防反接保護電路，電路圖見圖10。 當輸入電壓正常接入時，偏置部分電流經過Q2的體二極管，流經R1、R2回到輸入端，R1上的分壓即為Q1、Q2的柵極源極間電壓，由于C1的作用，柵極源極之間的電壓從零開始逐漸降低，Q1、Q2緩慢地進入飽和區，起到軟啟動的作用。當輸入電壓反接時，由于Q2的體二極管反向截止，無偏置電流回路，電路不工作，起到防反接保護的作用。可以看出Q2起到防反接保護的作用，Q1起到軟啟動的作用。 實際中Q1、Q2可被封裝在一起，市面上有較多此類芯片，比如IRF9358PbF，其飽和導通電阻在23.8mΩ[6]，其上消耗的功率可以忽略。 上面兩種保護電路，從輸入輸出來看，實際上是完全對稱的電路結構，故也可以從輸出端輸入電壓，然后從原輸入端輸出電壓，同時具有同樣的保護功能。在應用中需要注意，如果輸出端有電池作為負載，可能會出現電池的電壓倒灌至輸入端，需要考慮對輸入端的影響。如果需要實現單向的輸入，可以對電路進行修改，下面以雙P溝道MOSFET為例進行說明，電路圖見圖11。 在雙P溝道MOSFET的電路基礎上增加一個N溝道的MOSFET作為方向控制，當控制信號來自輸入端，則電流方向即為從輸入流向輸出端，即便是輸出有類似電池的負載，電壓也不會倒灌至輸入端。此電路已在多個產品設計中應用，取得很好的保護效果。 6 結論 將軟啟動、防反接保護電路整合在一起，兩個MOSFET共用偏置電路，可以簡化電路設計，選用封裝兩個MOSFET的器件，可以有效減小保護電路部分PCB的面積。 參考文獻： [1]姚維,姚仲興.電路分析原理(上冊)[M]. 北京:機械工業出版社,2011-11-1 [2] Mark.I.Montrose.電磁兼容與印刷電路板:理論、設計和布線[M].人民郵電出版社, 2002-11-30 [3]賀家李,李永麗,董新洲,李斌.電力系統繼電保護原理(第4版)[M].北京:中國電力出版社, 2010-08-01 [4]謝嘉奎,宣月清,馮軍. 電子線路：線性部分[M].北京:高等教育出版社,1999-06-01 [5] International Rectifier. IRL6372PbF Datasheet[EB/OL].http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/irl6372pbf.pdf [6] International Rectifier. IRF9358PbF Datasheet[EB/OL].http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/irf9358pbf.pdf |
