做硬件，堆經(jīng)驗(yàn)。
分享一個(gè)案例：MOS管電源開關(guān)電路，遇到上電沖擊電流超標(biāo)，怎么解決的呢？
下面是正文部分。
—— 正文 ——
最近有一顆用了挺久的MOSFET發(fā)了停產(chǎn)通知，供應(yīng)鏈部門找到我們研發(fā)部門，說供應(yīng)商推薦了另外一型號(hào)的作為兼容替代，需要研發(fā)部門分析一下。我粗略掃了一下規(guī)格書，Vds，Id，Vgs(th)這些主要參數(shù)沒太大區(qū)別，反正現(xiàn)有的應(yīng)用遠(yuǎn)沒達(dá)到器件的極限，所以直接替換是沒啥問題的。本以為這事就這樣結(jié)了，不過為了給今年校招進(jìn)來的新同事鍛煉的機(jī)會(huì)，部門經(jīng)理還是分配了做詳細(xì)兼容替代分析的任務(wù)給新同事A君。
結(jié)果過了兩天A君突然找到我：蔣工，這個(gè)替代的MOS管在你的新項(xiàng)目上替代不了。
我：？？？不會(huì)吧，這不是15A的MOS管么，我這平均電流才不到6A，峰值電流也不超過8A，怎么會(huì)用不了？雖然替代的MOS管導(dǎo)通電阻增加了幾個(gè)毫歐，我算了下耗散功率也沒增加太多，不應(yīng)該有問題的。
A君：不是，其他參數(shù)都沒問題，最大脈沖電流超標(biāo)了，替代的MOS管這項(xiàng)指標(biāo)只有40A，之前那個(gè)是80A，你這個(gè)新項(xiàng)目測(cè)出來有60A。
我：不可能，這電路用了很久了，一直都沒出過問題，新項(xiàng)目雖然功耗增加了一些，但不可能有那么大脈沖電流，因?yàn)榘迳系拇箅娙菘側(cè)萘坑譀]增加多少，你是不是測(cè)錯(cuò)了？
A君：那你過來看看。
啪~~~~~我的臉...
不就是MOS管開關(guān)電路嘛，So easy，閉著眼睛也能設(shè)計(jì)出來。這里用的是PMOS，所以只要把柵極上拉到源極，再通過一個(gè)開關(guān)控制把柵極拉到地，這樣開關(guān)導(dǎo)通的時(shí)候MOS管也導(dǎo)通，完美。
然后就有了下面這個(gè)測(cè)試結(jié)果：黃色跡線是漏極電流，紫色是漏極電壓，藍(lán)色是源極電壓，綠色是開關(guān)使能，橘色用漏極電壓乘以漏極電流得到功率。是的我沒有看錯(cuò)，開關(guān)導(dǎo)通的瞬間漏極電流最大能到60A！這次替代的MOS管最大脈沖電流是40A，這樣看來這個(gè)設(shè)計(jì)確實(shí)不安全。
可我還是不服氣，這個(gè)電路以前也用過，也詳細(xì)測(cè)過不可能出現(xiàn)這么大的脈沖電流，雖然新項(xiàng)目在MOS管后面增加了一些電容，但電容總?cè)萘繉?shí)際沒增加太多，即使上電瞬間充電也不太可能產(chǎn)生這么大電流才對(duì)，一定是什么地方出錯(cuò)了。
新項(xiàng)目的功耗增加了大概30%，電源樹結(jié)構(gòu)與之前的也有不小的區(qū)別，不過設(shè)計(jì)時(shí)并沒有增大板級(jí)的大型儲(chǔ)能電容容值，而是放了更多容量稍小但性能更好的MLCC（多層瓷片電容）到個(gè)負(fù)載電源附近以獲得更好的效果。
難道是多加進(jìn)來的這些MLCC在搗鬼？先仿真驗(yàn)證一下看看。
因?yàn)殡娙莸腅SL常常造成仿真結(jié)果出現(xiàn)震蕩，所以這里電容只用了ESR，元件參數(shù)并不是實(shí)際的值，不過足夠說明問題了。當(dāng)電容有一端沒有明確接到某個(gè)電壓的時(shí)候，如果不人為設(shè)定一下初始電壓，往往會(huì)造成仿真結(jié)果錯(cuò)誤，這里在C3上并了一個(gè)R5就是出于這種考慮。為了模擬沖擊電流造成的電源波動(dòng)，這里還對(duì)總電源和電源線進(jìn)行了簡(jiǎn)單建模。
仿真結(jié)果可以看到上電瞬間沖擊電流有22A左右，還算在可控的范圍內(nèi)。
現(xiàn)在把萬(wàn)惡的MLCC加上再試試，相比于470uF的電解電容，MLCC只有22uF，然后...60A的沖擊電流，增加了近3倍？！電容量增加還不到1/10，沖擊電流增加了那么多倍，這樣翻車，我認(rèn)還不行么。
如果不使用MLCC而只是增大電解電容的容量，就增加到2200uF吧，翻了4倍多呢，結(jié)果脈沖電流最大值才24A，只是整個(gè)充電過程變長(zhǎng)了。
這就是電容ESR搗鬼導(dǎo)致的，使用ESR較大的電解電容時(shí)，ESR限制住了流經(jīng)電容的最大電流，所以沖擊電流并不會(huì)太大；而ESR非常小的MLCC，在電源接通的瞬間近乎直接斷路到地，所以會(huì)出現(xiàn)巨大的沖擊電流。
我這次算是敗給了直覺，直覺認(rèn)為電容量決定了沖擊電流，而實(shí)際上ESR才主導(dǎo)沖擊電流的最大值，電容量更多的是決定充電的總能量（或者說電流與時(shí)間的乘積）。
元兇找到了，現(xiàn)在的問題是如何整改，最簡(jiǎn)單的整改方法就是給MOS管加緩啟動(dòng)電路。緩啟動(dòng)電路以前也沒少用，不過這次設(shè)計(jì)偷懶，直覺又覺得不會(huì)出問題，所以就沒加上去，結(jié)果翻車了。
MOS管緩啟動(dòng)電路的思路非常簡(jiǎn)單，充分利用MOS管的線性區(qū)，不讓MOS管突然從截至跳到飽和就行了，也就是要給Vgs緩慢變化而不是突變，這樣MOS管在上電過程中相當(dāng)于一個(gè)可變的電阻，可以溫柔地給負(fù)載電容充電而不是一口氣吃一個(gè)胖子。
電容兩端電壓不能突變，所以在MOS管的柵極和源極之間跨接一個(gè)電容，柵極通過電阻或者恒流源緩慢對(duì)電容放電而不是簡(jiǎn)單粗暴開關(guān)接短接到地，這樣就能讓Vgs緩慢變化了。
仿真結(jié)果還不錯(cuò)，沖擊電流從60A降到了不到15A，完全不用擔(dān)心MOS管罷工。雖然緩啟動(dòng)增加了上電延時(shí)，不過對(duì)于總開關(guān)來說沒有太嚴(yán)格的上電時(shí)序要求，也不算什么大問題。
不過沒完，這個(gè)緩啟動(dòng)電路還會(huì)帶來另一個(gè)比較大的問題就是掉電延時(shí)，而且比上電延時(shí)要嚴(yán)重的多（這應(yīng)該很容易想明白）。好在我這里是總開關(guān)，所以掉電延時(shí)也不是什么嚴(yán)重的問題，不過如果是用MOS管做嚴(yán)格的上下電時(shí)序控制，這就是個(gè)很嚴(yán)重的問題了。對(duì)時(shí)序控制要求高的場(chǎng)合，還是用專門的負(fù)載開關(guān)去處理吧，分立MOS開關(guān)搞起來就太折騰了。
當(dāng)然這套簡(jiǎn)單的緩啟動(dòng)電路缺點(diǎn)還有不少，實(shí)際使用中還得根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，電路還會(huì)更復(fù)雜（比如在柵源間跨接二極管解決源極電源突然掉電又恢復(fù)時(shí)，電路鎖定在之前狀態(tài)的問題），這里就不再展開了。
實(shí)際電路中加入緩啟動(dòng)電路再測(cè)試，和預(yù)期的一樣有很大改善。
—— The End ——
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文章由【電路啊】審核把關(guān)后分享給大家，幫助大家積累設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。
電路啊做的注解：
1、作者使用的仿真軟件是LTspice。
2、電容的ESR對(duì)電路的影響，這個(gè)案例可以讓大家有真切感受。
3、文中對(duì)“MOS管緩啟動(dòng)（又叫軟啟動(dòng)）電路”沒有進(jìn)行詳細(xì)分析，強(qiáng)烈建議閱讀文章《帶軟開啟功能的MOS管電源開關(guān)電路》。
