PMOS防浪涌抑制原理分析

有丶意思

一、前言

减小输入电压纹波，常常在电源输入端加上大电容来进行滤波。若电路不加任何处理，往往会上电爆炸，小陶瓷电容还好，因为容量小，但是大电解电容可就gg了。这是因为上电瞬间，电容由于电压不能突变，维持初始值0，这相当于短路，当上电时，输入电压全部加在阻抗很小的线路上，产生浪涌电流。

防浪涌抑制电路的作用是抑制上电瞬间输出电容上的大电流。

图1 PMOSFET负载开关电路

二、防浪涌抑制电路原理

下图是PMOS防浪涌电路的简化原理图。

图2 防浪涌抑制电路简化电路图

采用PMOS是因为负压开通，可与输入共地，若采用NMOS，可就需要charge bump才能导通了。

防浪涌抑制电路的基本原理是利用场效应管的电流放大特性，控制输入电流从0逐渐增加，缓慢的为输出侧电容充电，直至场效应管完全导通，从而避免由于输出侧电容的瞬间短路特性导致产生的大电流。

工作过程主要分为三个阶段，上电阶段，C1充电阶段，Cin充电阶段。

1. 上电阶段
上电瞬间，电容C1短路，PMOS管Q1的SG两端电压为0，Q1不导通，SD两端阻抗无穷大，Cin上无电流。

2. C1充电阶段
输入给C1充电，充电时间常数约为R2*C1。随着C1的充电,Q1的SG两端电压逐渐上升，当达到PMOS管的开启电压Vth后，Q1导通。

3. Cin充电阶段
随着C1两端电压逐渐升高，Q1逐渐导通，管子上流过的电流逐渐增加，从而给Cin进行充电，充电时间常数为Rsd*Cin，Rsd为Q1导通时的等效电阻。

当C1两端的电压，达到R1两端在输入的分压时，充电结束。Cin两端的电压达到输入电压时，充电结束。
以上工作工程可由下图表示。Vc1是C1两端的电压。Vcin是Cin两端的电压，Icin是Cin流过的电流。

图3 上电时序图

关注图3 电流的波形，为什么会这样；从0增加到最大，斜率先增大，后减小，而后电流又快速下降。

PMOS上的电流其实主要与两条曲线有关，一个是mos的转移特性曲线,Vsg越大，-Id越大，那么电容充电电流的波形与转移特性一致，另一方面若不考虑mos阻抗的变化，当作常数R,那么随着电容电压增加，充电电流是越来越小的。当两者达到一个平衡后，出现最大电流。不过电路中有寄生参数，应该不可能让ic的电流不可导，所以在极值点是平滑过渡的。

图4 MOS两条主要电流曲线

三、影响因素

1. RC参数的影响
要想电容充电电流小，充电慢，最简单的来说就是增大时间常数，包括mos管你都可以当作阻抗来考虑，最开始阻抗无穷大，完全导通阻抗几乎为0.
所以可以通过调节R2,C1可控制mos开启电压的上升速度，从而控制电流。当然在调节R2时，需同步调节R1,以确保电阻足够的功率降额或者足够的开启电压。

2. MOS参数的影响
实际上，PMOS参数的差异也会影响浪涌电流，比如转移特性和Vth。

1）转移特性的影响
不同的转移特性会导致相同的VSG下，导通电流的不同，如下图所示。

图5 不同MOS的转移特性

2）Vth的影响
不同的Vth会导致MOS导通时电流的上升速率不同。假设MOS的电流放大倍数相同，即转移特性曲线中斜率相同，Vth不同，导致相同VSG下，导通电流不同，Vth越小，导通电流越大。

图6 MOS不同Vth下的转移特性

MOS导通电流越大，Cin充电电流越大。而Cin总电荷量是一定的，由Q=CU=It可知，电流大，充电时间短，峰值电流大，而电流小，充电时间长，峰值电流小。

图7 MOS不同Vth下的工作过程

四、实际测试波形

结合实际浪涌电流波形进行分析。上电一段时间后，回路电流快速上升，等效输入电容充电，电流到达峰值后，由于电容电压上升到一定值，充电电流减小，而后后级电路启动，由于带载，电容电压被拉低，充电电流又会上升后回落，直到充电结束。图中充电结束后的电流震荡，可能跟后级电路有关，需结合实际进行再分析。

图8 实际浪涌电流测试波形

根据前文分析，在电路参数不变的情况下，不同板卡测试结果不同，可能是由于MOS管差异导致，而MOS管的差异在实际应用中很难保证，所以建议调整C1，R2，R1，如增大C1或R2，R1，可减小浪涌电流。由于整个电路启动时间的要求，RC不能太大，浪涌电流时间一般保证在2ms左右。

五、结语

为何使用P-MOSFET而不是N-MOSFET实现，是因为P-MOSFET作为高边开关使用时的导通方法更简单、容易实现，如果使用N-MOSFET作为高边开关的话，需要另外使用自举电路才能使其导通。相关内容请看：P-MOSFET浪涌电流抑制应用。