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摘要：在很多消費電子設(shè)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(shù)的設(shè)計中，這兩種電路獨立存在，或者僅有一種保護電路，導(dǎo)致部分保護功能缺失或者電路設(shè)計復(fù)雜。本設(shè)計提出一種設(shè)計方法，同時實現(xiàn)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(shè)備有很好的保護作用，由于消費電子客戶存在多次開關(guān)機的應(yīng)用場景和輸入接反的可能性。但是由于成本與電路設(shè)計的復(fù)雜性，很多設(shè)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(shè)計復(fù)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(jié)構(gòu)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(shè)計中都會使用較多的電容來儲能[1]、去耦合[2]，在設(shè)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(dǎo)致設(shè)備工作異常，甚至損壞。軟啟動電路的目的是在設(shè)備上電初期限制沖擊電流的大小，進入穩(wěn)態(tài)后，軟啟電路的限流作用幾乎消失，產(chǎn)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(shè)備中全橋整流后儲能電容輸入處經(jīng)常采用此種保護電路。電路圖見圖1。  其中電阻R1采用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，在冷態(tài)時電阻較大，當(dāng)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(zhuǎn)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(yōu)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(yīng)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(guān)經(jīng)常使用繼電器，繼電器J1的導(dǎo)通電阻遠小于電阻R1。此電路中開關(guān)的控制需要外加控制信號，通常加一延時邏輯控制電路，當(dāng)設(shè)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(jīng)繼電器，電阻R1被旁路，設(shè)備開始正常工作。此電路的優(yōu)點：軟啟效果較好，能有效防止上電沖擊;缺點：電路復(fù)雜，成本高，繼電器閉合時，可能會出現(xiàn)電弧現(xiàn)象[3]，影響繼電器的壽命，對開關(guān)設(shè)備的次數(shù)、頻率有限制。 2.3 利用增強型MOSFET設(shè)計軟啟動電路 利用MOSFET設(shè)計的軟啟動電路也比較常用，利用MOSFET的工作區(qū)域[4]的變化、內(nèi)阻的變化，達到限制沖擊電流的效果。實際設(shè)計分為兩種：一種為用N溝道MOSFET設(shè)計的軟啟動電路;另外一種為用P溝道MOSFET設(shè)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(shè)計的軟啟動電路 利用N溝道MOSFET設(shè)計的軟啟電路，電路圖見圖3。 工作原理：當(dāng)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(dǎo)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(tài)也即是從截止區(qū)[4]到恒阻區(qū)[4]，再從恒阻區(qū)到飽和區(qū)[4]，在恒阻區(qū)時能起到很好的軟啟動作用，最終的飽和區(qū)導(dǎo)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(yīng)用中需要注意。 2.3.2 用P溝道MOSFET設(shè)計的軟啟動電路 利用P溝道MOSFET設(shè)計的軟啟電路，電路圖見圖4。 工作原理：當(dāng)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(dǎo)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(tài)也即是從截止區(qū)[4]到恒阻區(qū)[4]，再從恒阻區(qū)到飽和區(qū)[4]，在恒阻區(qū)時能起到很好的軟啟動作用，最終的飽和區(qū)的導(dǎo)通電阻很小，其耗散功率可以忽略。利用P溝道MOSFET設(shè)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(shè)備。故在多數(shù)的直流輸入設(shè)備中，均會設(shè)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(yīng)用較廣泛，利用二極管單向?qū)ǖ奶匦詠矸婪唇印Ｖ饕窃诟唠妷骸⒌碗娏鞯碾娐分校娐穲D見圖5。 此處使用的二極管D1可以是普通的二極管，但結(jié)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(jié)電壓一般在0.3伏[4]左右，但是價格稍高。此電路的優(yōu)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(gòu)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(shè)備也能正常工作。從工作原理看，相當(dāng)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(shè)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(shè)計的防反接保護電路，電路圖見圖7。 當(dāng)輸入電壓正常接入時，電流從輸入正極流入，流經(jīng)電阻R1、R2，經(jīng)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(dāng)?shù)腞1、R2值，滿足Q1飽和導(dǎo)通。當(dāng)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(dǎo)通，輸出端無電壓輸出，設(shè)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(shè)計的防反接保護電路，電路圖見圖8。 當(dāng)輸入電壓正常接入時，電流從輸入正極流入，流經(jīng)Q1體二極管，經(jīng)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(dāng)?shù)腞1、R2值，Q1最終工作在飽和狀態(tài)。當(dāng)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(dǎo)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(yīng)用中經(jīng)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(dāng)輸入電壓正常接入時，偏置部分電流經(jīng)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(qū)，起到軟啟動的作用。當(dāng)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(dǎo)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(dāng)輸入電壓正常接入時，偏置部分電流經(jīng)過Q2的體二極管，流經(jīng)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(qū)，起到軟啟動的作用。當(dāng)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(dǎo)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(jié)構(gòu)，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(yīng)用中需要注意，如果輸出端有電池作為負(fù)載，可能會出現(xiàn)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(xiàn)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(chǔ)上增加一個N溝道的MOSFET作為方向控制，當(dāng)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(fù)載，電壓也不會倒灌至輸入端。此電路已在多個產(chǎn)品設(shè)計中應(yīng)用，取得很好的保護效果。 6 結(jié)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(shè)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(yè)出版社,2011-11-1 [2] Mark.I.Montrose.電磁兼容與印刷電路板:理論、設(shè)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(tǒng)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 |
