趙憲寧，張國海

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

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基于MOSFET的負(fù)載開關(guān)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙憲寧，張國海

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

摘要針對電源遙控功能在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，為滿足通過TTL電平指令控制電源模塊開關(guān)的需求，在對MOS管開關(guān)過程詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于MOS管的負(fù)載開關(guān)緩啟動電路。對MOS管開關(guān)過程通過Saber軟件進(jìn)行仿真，提出了關(guān)鍵參數(shù)的選取原則。仿真結(jié)果表明，MOS管作為負(fù)載開關(guān)能夠很好地抑制沖擊電流，并成功應(yīng)用于工程實(shí)際中。

關(guān)鍵詞MOS管；負(fù)載開關(guān)；緩啟動； Saber仿真

0引言

負(fù)載開關(guān)是一種通用功率開關(guān)器件，過去主要應(yīng)用于工業(yè)控制及汽車工業(yè)等[1]。近年來，開發(fā)出很多便攜式電子產(chǎn)品，如手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、Mp3和MP4等，負(fù)載開關(guān)又在這些領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[2]。關(guān)于負(fù)載開關(guān)的軟啟動設(shè)計(jì)[3，4]、短路保護(hù)設(shè)計(jì)[5]和電流限制設(shè)計(jì)[6]等已有相關(guān)研究，且主要是定性分析。近年來，F(xiàn)AI RCHILD公司、ANALOGIC TECH公司和MICREL公司等相繼開發(fā)出多種新型負(fù)載開關(guān)。這些研究主要集中在小電流低電壓負(fù)載的應(yīng)用，大部分工作電壓為1.2~5.5 V，只有少數(shù)工作電壓為3~13 V。如果要求工作電壓18~36 V，工作電流≥5 A，則較難找到合適的現(xiàn)成產(chǎn)品。本文將負(fù)載開關(guān)應(yīng)用于高壓大電流負(fù)載，且通過理論分析和軟件仿真給出關(guān)鍵參數(shù)選取原則，研究結(jié)果可作為高壓大功率負(fù)載開關(guān)的設(shè)計(jì)參考。

1負(fù)載開關(guān)沖擊電流產(chǎn)生分析

功率MOSFET是一種具有良好開關(guān)特性的器件：導(dǎo)通時(shí)其導(dǎo)通電阻Rds(on)很??；在關(guān)斷時(shí)其漏電流Idss很小。另外，它的耐壓范圍很寬，從幾十V到幾百V，漏極電流范圍寬，從幾A到幾十A，所以非常適合做大電流負(fù)載開關(guān)[7]。

所設(shè)計(jì)的負(fù)載開關(guān)用于控制DC/DC變換器，一般DC/DC變換器前面都會有容量很大的濾波電容，由于負(fù)載開關(guān)導(dǎo)通電阻很小，若濾波電容的等效串聯(lián)電阻(ESR)很小，則在開關(guān)閉合瞬間就會產(chǎn)生很大的沖擊電流[8，9]。如果沖擊電流超過MOSFET的極限脈沖漏電流IDM，則有可能把MOS管燒壞[10]，沖擊電流形成示意圖如圖1所示。

圖1　沖擊電流形成示意

DC/DC變換器前面的濾波電容等效為一個(gè)大容量電容Co，MOS管導(dǎo)通瞬間電源電壓Vin通過負(fù)載開關(guān)向電容Co充電，產(chǎn)生一個(gè)很大的沖擊電流。沖擊電流的大小與負(fù)載開關(guān)的導(dǎo)通電阻、電容Co的等效串聯(lián)電阻(ESR)以及電源電壓Vin有關(guān)。假設(shè)電容Co的等效串聯(lián)電阻為Resr=100 mΩ，為了提高效率，使用低導(dǎo)通電阻的MOS管，其Rds(on)=40 mΩ，工作電壓為Vin=28 V，則峰值脈沖電流為Ip=Vin/[Rds(on)+Resr]=28 V/[100 mΩ+40 mΩ]=200 A，這樣大的沖擊電流有可能損壞MOS管。

2負(fù)載開關(guān)緩啟動電路設(shè)計(jì)

MOS管的導(dǎo)通電阻很小，它引起的壓降和輸入電壓相比可以忽略[11]，可通過延長負(fù)載開關(guān)電路米勒平臺的時(shí)間來限制輸入浪涌電流[12]?；贛OS的負(fù)載開關(guān)緩啟動電路如圖2所示。

圖2　基于MOS的負(fù)載開關(guān)緩啟動電路

MOS管V5在DC/DC電源模塊的負(fù)電壓輸入端，加電瞬間，DC/DC電源模塊的-Vin電平和+Vin電平相等，然后控制電路按一定的速率將-Vin降到負(fù)電壓。當(dāng)TTL高電平加在光耦V1上時(shí)，光耦導(dǎo)通，進(jìn)而三極管V2導(dǎo)通，然后輸入電壓通過電阻R4和R5分壓后加載到MOS管柵極并導(dǎo)通，進(jìn)而給DC/DC電源模塊供電。電阻R4和電容C2共同決定了MOS管導(dǎo)通快慢，同時(shí)決定導(dǎo)通瞬間沖擊電流大小。穩(wěn)壓管V3用來限制MOS管柵源電壓以免被擊穿。電容C3為濾波電容及DC/DC電源模塊內(nèi)部電容總和，C3容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電容C1和C2，故加電瞬間輸入電壓大部分加在C1和C2上，C1和C2分壓來保證開機(jī)瞬間C1兩端電壓小于MOS管開啟電壓。當(dāng)MOS管導(dǎo)通后，R6用于把C1上的電荷泄放掉，保證下次MOS導(dǎo)通時(shí)C1兩端電壓不超過MOS管開啟電壓。

3仿真分析

為驗(yàn)證主電路工作原理及工作特性，利用Saber2007對基于MOS的負(fù)載開關(guān)緩啟動電路工作過程進(jìn)行仿真。

關(guān)鍵參數(shù)選取原則及具體參數(shù)選擇如下：

Ciss為MOS管輸入電容，此參數(shù)可在器件資料中查詢到。為保證電容C2起主要作用，C2可按式(1)選擇：

C2>>Ciss。

(1)

R8為阻尼電阻，可按照式(2)選擇：

R8<

(2)

Vmax為輸入電壓最大值，電容C1為保證開機(jī)瞬間MOS的柵源電壓小于柵極開啟電壓，可按照式(3)選擇：

(3)

穩(wěn)壓管V3用來限制MOS管柵源電壓以免MOS管被擊穿，V3穩(wěn)定電壓一般選擇12 V。

MOS管選擇：電源的額定輸入電壓為28 V，考慮裕量選擇Vds≥60 V。開關(guān)控制的負(fù)載電流為Io，則MOS管的漏極電流Id≥2Io，比如實(shí)際中Io=3 A，則Id≥6 A。漏源導(dǎo)通電阻Rds(on)應(yīng)該越小越好，才能減小它在導(dǎo)通狀態(tài)下的損耗。選擇MOS管V5為IRF1310N，導(dǎo)通電阻只有36 mΩ，導(dǎo)通損耗比較小。

除去R4和C2之外的其他關(guān)鍵參數(shù)確認(rèn)：等效電容C3=200 μF，R5=24 kΩ，R6=1 kΩ，R7=10 Ω。

假設(shè)Io=3 A，無電容C2時(shí)沖擊電流Ip波形如圖3所示。

圖3　無電容C2時(shí)沖擊電流波形

在仿真中，R4=0.3 kΩ，對電容C2分別為20 nF、170 nF、320 nF和470 nF時(shí)進(jìn)行電路掃描分析，固定R4掃描C2時(shí)沖擊電流波形如圖4所示。

圖4　固定R4掃描C2時(shí)沖擊電流波形

固定C2=0.01 μF，電阻分別為0.4 kΩ，3.6 kΩ，6.8 kΩ和10 kΩ時(shí)進(jìn)行電路掃描分析，固定C2掃描R4時(shí)沖擊電流波形如圖5所示。

圖5　固定C2掃描R4時(shí)沖擊電流波形

從仿真結(jié)果可以看出，單獨(dú)增大R4或者單獨(dú)增大C2都能夠起到降低沖擊電流的作用。但是C2太大會造成關(guān)斷延遲時(shí)間太長，MOS管發(fā)熱太多，綜合考慮我們選擇電容C2=0.01 μF。電阻R4由于取值稍大不影響關(guān)斷延遲，可以選擇R4=30 kΩ。根據(jù)式(2)選擇R8=510 Ω，根據(jù)式(3)選擇C1=1 μF。

4結(jié)束語

負(fù)載開關(guān)的結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，應(yīng)用元器件不多，即使用分立元器件組成，其占PCB面積也不大。MOS管有導(dǎo)通阻抗低和驅(qū)動簡單的特點(diǎn)，在周圍加上少量元器件就可以構(gòu)成緩啟動電路，故可根據(jù)使用要求自行設(shè)計(jì)。借助軟件仿真能夠更有效地指導(dǎo)設(shè)計(jì)工作。基于MOS的負(fù)載開關(guān)一般應(yīng)用于小功率負(fù)載，但是如果參數(shù)選擇合理，負(fù)載開關(guān)完全可以適應(yīng)大功率的應(yīng)用。

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趙憲寧男，(1983-)，工程師。主要研究方向：開關(guān)電源設(shè)計(jì)。

張國海男，(1952-)，工程師。主要研究方向：開關(guān)電源設(shè)計(jì)。

Design and Implementation of Load Switch Based on MOSFET

ZHAO Xian-ning,ZHANG Guo-hai

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractAiming at the application of power telecontrol function in communication system,to satisfy the requirement of power module switch controlled by TTL order,based on the detailed analysis of MOSFET switch process,the slow start circuit of load switch based on MOSFET is designed.The switch process of MOSFET is simulated by software Saber,and the selection principle of key parameters is proposed.The simulation results show that the MOSFET as a load switch can restrain surge current effectively,and it has applied in engineering practice successfully.

Key wordsMOSFET;load switch;slow start;Saber simulation

作者簡介

收稿日期：2015-03-19

中圖分類號TM564

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1003-3106(2015)06-0096-03

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.06.26

引用格式：趙憲寧，張國海.基于MOSFET的負(fù)載開關(guān)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].無線電工程，2015，45(6)：96-98.