【電源電路】PMOS防浪涌抑制電路分析-KIA MOS管

防浪涌抑制電路分析

電路原理

下圖是PMOS防浪涌電路的簡化原理圖。

首先說為什么采用PMOS,因為負(fù)壓開通，可與輸入共地，若采用NMOS,可就需要charge bump才能導(dǎo)通了。

此電路的原理：

防浪涌抑制電路的基本原理是利用場效應(yīng)管的電流放大特性，控制輸入電流從0逐漸增加，緩慢的為輸出側(cè)電容充電，直至場效應(yīng)管完全導(dǎo)通，從而避免由于輸出側(cè)電容的瞬間短路特性導(dǎo)致產(chǎn)生的大電流。

工作過程主要分為三個階段，上電階段，C1充電階段，Cin充電階段。

1. 上電階段

上電瞬間，電容C1短路，PMOS管Q1的SG兩端電壓為0，Q1不導(dǎo)通，SD兩端阻抗無窮大，Cin上無電流。

2. C1充電階段

輸入給C1充電，充電時間常數(shù)約為R2*C1。隨著C1的充電,Q1的SG兩端電壓逐漸上升，當(dāng)達(dá)到PMOS管的開啟電壓Vth后，Q1導(dǎo)通。

3. Cin充電階段

隨著C1兩端電壓逐漸升高，Q1逐漸導(dǎo)通，管子上流過的電流逐漸增加，從而給Cin進(jìn)行充電，充電時間常數(shù)為Rsd*Cin，Rsd為Q1導(dǎo)通時的等效電阻。

當(dāng)C1兩端的電壓，達(dá)到R1兩端在輸入的分壓時，充電結(jié)束。Cin兩端的電壓達(dá)到輸入電壓時，充電結(jié)束。

以上工作工程可由下圖表示。Vc1是C1兩端的電壓。Vcin是Cin兩端的電壓，Icin是Cin流過的電流。

我們來關(guān)注下電流的波形，為什么會這樣？從0增加到最大，斜率先增大，后減小，而后電流又快速下降。

我試圖想從公式上推導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)高階微分方程太難解出了，還是感性的說吧。

PMOS上的電流其實主要與兩條曲線有關(guān)，一個是mos的轉(zhuǎn)移特性曲線,Vsg越大，-Id越大，那么電容充電電流的波形與轉(zhuǎn)移特性一致，另一方面若不考慮mos阻抗的變化，當(dāng)作常數(shù)R,那么隨著電容電壓增加，充電電流是越來越小的。

當(dāng)兩者達(dá)到一個平衡后，出現(xiàn)最大電流。不過電路中有寄生參數(shù)，應(yīng)該不可能讓ic的電流不可導(dǎo)，所以在極值點(diǎn)是平滑過渡的。

影響因素

RC參數(shù)的影響

要想電容充電電流小，充電慢，最簡單的來說就是增大時間常數(shù)，包括mos管你都可以當(dāng)作阻抗來考慮，最開始阻抗無窮大，完全導(dǎo)通阻抗幾乎為0.

所以可以通過調(diào)節(jié)R2,C1可控制mos開啟電壓的上升速度，從而控制電流。當(dāng)然在調(diào)節(jié)R2時，需同步調(diào)節(jié)R1,以確保電阻足夠的功率降額或者足夠的開啟電壓。

MOS參數(shù)的影響

實際上，PMOS參數(shù)的差異也會影響浪涌電流，比如轉(zhuǎn)移特性和Vth。

1）轉(zhuǎn)移特性的影響

不同的轉(zhuǎn)移特性會導(dǎo)致相同的VSG下，導(dǎo)通電流的不同，如下圖所示。

2）Vth的影響

不同的Vth會導(dǎo)致MOS導(dǎo)通時電流的上升速率不同。假設(shè)MOS的電流放大倍數(shù)相同，即轉(zhuǎn)移特性曲線中斜率相同，Vth不同，導(dǎo)致相同VSG下，導(dǎo)通電流不同，Vth越小，導(dǎo)通電流越大。

MOS導(dǎo)通電流越大，Cin充電電流越大。而Cin總電荷量是一定的，由Q=CU=It可知，電流大，充電時間短，峰值電流大，而電流小，充電時間長，峰值電流小。

測試波形

結(jié)合實際浪涌電流波形進(jìn)行分析。上電一段時間后，回路電流快速上升，等效輸入電容充電，電流到達(dá)峰值后，由于電容電壓上升到一定值，充電電流減小，而后后級電路啟動，由于帶載，電容電壓被拉低，充電電流又會上升后回落，直到充電結(jié)束。

在電路參數(shù)不變的情況下，不同板卡測試結(jié)果不同，可能是由于MOS管差異導(dǎo)致，而MOS管的差異在實際應(yīng)用中很難保證，所以建議調(diào)整C1，R2，R1，如增大C1或R2，R1，可減小浪涌電流。由于整個電路啟動時間的要求，RC不能太大，浪涌電流時間一般保證在2ms左右。

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