基于MOSFET的负载开关设计与实现

赵宪宁，张国海

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)



基于MOSFET的负载开关设计与实现

赵宪宁，张国海

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

摘要针对电源遥控功能在通信系统中的应用，为满足通过TTL电平指令控制电源模块开关的需求，在对MOS管开关过程详细分析的基础上，设计了基于MOS管的负载开关缓启动电路。对MOS管开关过程通过Saber软件进行仿真，提出了关键参数的选取原则。仿真结果表明，MOS管作为负载开关能够很好地抑制冲击电流，并成功应用于工程实际中。

关键词MOS管；负载开关；缓启动； Saber仿真

0引言

负载开关是一种通用功率开关器件，过去主要应用于工业控制及汽车工业等[1]。近年来，开发出很多便携式电子产品，如手机、数码相机、Mp3和MP4等，负载开关又在这些领域应用广泛[2]。关于负载开关的软启动设计[3，4]、短路保护设计[5]和电流限制设计[6]等已有相关研究，且主要是定性分析。近年来，FAI RCHILD公司、ANALOGIC TECH公司和MICREL公司等相继开发出多种新型负载开关。这些研究主要集中在小电流低电压负载的应用，大部分工作电压为1.2~5.5 V，只有少数工作电压为3~13 V。如果要求工作电压18~36 V，工作电流≥5 A，则较难找到合适的现成产品。本文将负载开关应用于高压大电流负载，且通过理论分析和软件仿真给出关键参数选取原则，研究结果可作为高压大功率负载开关的设计参考。

1负载开关冲击电流产生分析

功率MOSFET是一种具有良好开关特性的器件：导通时其导通电阻Rds(on)很小；在关断时其漏电流Idss很小。另外，它的耐压范围很宽，从几十V到几百V，漏极电流范围宽，从几A到几十A，所以非常适合做大电流负载开关[7]。

所设计的负载开关用于控制DC/DC变换器，一般DC/DC变换器前面都会有容量很大的滤波电容，由于负载开关导通电阻很小，若滤波电容的等效串联电阻(ESR)很小，则在开关闭合瞬间就会产生很大的冲击电流[8，9]。如果冲击电流超过MOSFET的极限脉冲漏电流IDM，则有可能把MOS管烧坏[10]，冲击电流形成示意图如图1所示。

图1　冲击电流形成示意

DC/DC变换器前面的滤波电容等效为一个大容量电容Co，MOS管导通瞬间电源电压Vin通过负载开关向电容Co充电，产生一个很大的冲击电流。冲击电流的大小与负载开关的导通电阻、电容Co的等效串联电阻(ESR)以及电源电压Vin有关。假设电容Co的等效串联电阻为Resr=100 mΩ，为了提高效率，使用低导通电阻的MOS管，其Rds(on)=40 mΩ，工作电压为Vin=28 V，则峰值脉冲电流为Ip=Vin/[Rds(on)+Resr]=28 V/[100 mΩ+40 mΩ]=200 A，这样大的冲击电流有可能损坏MOS管。

2负载开关缓启动电路设计

MOS管的导通电阻很小，它引起的压降和输入电压相比可以忽略[11]，可通过延长负载开关电路米勒平台的时间来限制输入浪涌电流[12]。基于MOS的负载开关缓启动电路如图2所示。

图2　基于MOS的负载开关缓启动电路

MOS管V5在DC/DC电源模块的负电压输入端，加电瞬间，DC/DC电源模块的-Vin电平和+Vin电平相等，然后控制电路按一定的速率将-Vin降到负电压。当TTL高电平加在光耦V1上时，光耦导通，进而三极管V2导通，然后输入电压通过电阻R4和R5分压后加载到MOS管栅极并导通，进而给DC/DC电源模块供电。电阻R4和电容C2共同决定了MOS管导通快慢，同时决定导通瞬间冲击电流大小。稳压管V3用来限制MOS管栅源电压以免被击穿。电容C3为滤波电容及DC/DC电源模块内部电容总和，C3容量远远大于电容C1和C2，故加电瞬间输入电压大部分加在C1和C2上，C1和C2分压来保证开机瞬间C1两端电压小于MOS管开启电压。当MOS管导通后，R6用于把C1上的电荷泄放掉，保证下次MOS导通时C1两端电压不超过MOS管开启电压。

3仿真分析

为验证主电路工作原理及工作特性，利用Saber2007对基于MOS的负载开关缓启动电路工作过程进行仿真。

关键参数选取原则及具体参数选择如下：

Ciss为MOS管输入电容，此参数可在器件资料中查询到。为保证电容C2起主要作用，C2可按式(1)选择：

C2>>Ciss。

(1)

R8为阻尼电阻，可按照式(2)选择：

R8<

(2)

Vmax为输入电压最大值，电容C1为保证开机瞬间MOS的栅源电压小于栅极开启电压，可按照式(3)选择：

(3)

稳压管V3用来限制MOS管栅源电压以免MOS管被击穿，V3稳定电压一般选择12 V。

MOS管选择：电源的额定输入电压为28 V，考虑裕量选择Vds≥60 V。开关控制的负载电流为Io，则MOS管的漏极电流Id≥2Io，比如实际中Io=3 A，则Id≥6 A。漏源导通电阻Rds(on)应该越小越好，才能减小它在导通状态下的损耗。选择MOS管V5为IRF1310N，导通电阻只有36 mΩ，导通损耗比较小。

除去R4和C2之外的其他关键参数确认：等效电容C3=200 μF，R5=24 kΩ，R6=1 kΩ，R7=10 Ω。

假设Io=3 A，无电容C2时冲击电流Ip波形如图3所示。

图3　无电容C2时冲击电流波形

在仿真中，R4=0.3 kΩ，对电容C2分别为20 nF、170 nF、320 nF和470 nF时进行电路扫描分析，固定R4扫描C2时冲击电流波形如图4所示。

图4　固定R4扫描C2时冲击电流波形

固定C2=0.01 μF，电阻分别为0.4 kΩ，3.6 kΩ，6.8 kΩ和10 kΩ时进行电路扫描分析，固定C2扫描R4时冲击电流波形如图5所示。

图5　固定C2扫描R4时冲击电流波形

从仿真结果可以看出，单独增大R4或者单独增大C2都能够起到降低冲击电流的作用。但是C2太大会造成关断延迟时间太长，MOS管发热太多，综合考虑我们选择电容C2=0.01 μF。电阻R4由于取值稍大不影响关断延迟，可以选择R4=30 kΩ。根据式(2)选择R8=510 Ω，根据式(3)选择C1=1 μF。

4结束语

负载开关的结构并不复杂，应用元器件不多，即使用分立元器件组成，其占PCB面积也不大。MOS管有导通阻抗低和驱动简单的特点，在周围加上少量元器件就可以构成缓启动电路，故可根据使用要求自行设计。借助软件仿真能够更有效地指导设计工作。基于MOS的负载开关一般应用于小功率负载，但是如果参数选择合理，负载开关完全可以适应大功率的应用。

参考文献

[1]方佩敏.负载开关的发展概况[J].今日电子，2008(5)：85-88.

[2]方佩敏.负载管理与负载开关的设计与实现[J].世界电子元器件，2008(3)：73-77.

[3]方佩敏.负载开关设计(一)带软启动的负载开关设计[J].电子世界，2008(3)：10-11.

[4]方佩敏.微封装功率MOSFET应用(三)减小功率开关冲击电流措施[J].电子制作,2004(3)：50.

[5]凡文.负载开关设计(二)有短路保护的负载开关设计[J].电子世界，2008(4)：9-11.

[6]方佩敏.负载开关设计(三)有电流限制的负载开关设计[J].电子世界，2008(5)：11-13.

[7]ISRAELSOHN J.负载开关_按需要提供高效电源[J].电子设计技术,2003(1)：54-60.

[8]李定宣，罗四平.开关电源的软起动电路[J].电源技术应用,2001(7)：51-52.

[9]周志敏，周纪海.开关电源软启动电路的设计与应用[J].电源世界，2004(12)：29-30.

[10]张俊杰，张文学.大功率电源上电冲击电流限制电阻的设计[J].现代电子技术，2006(9)：140-141.

[11]潘军魁.开关电源的冲击电流控制方法[J].电源世界，2004(10)：44-48.

[12]刘松,陈均，林涛.功率MOS管R_DS_on_负温度系数对负载开关设计的影响[J].电子技术应用,2010(11)：72-73.

赵宪宁男，(1983-)，工程师。主要研究方向：开关电源设计。

张国海男，(1952-)，工程师。主要研究方向：开关电源设计。

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

作者简介

收稿日期：2015-03-19

中图分类号TM564

文献标识码A

文章编号1003-3106(2015)06-0096-03

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.06.26

引用格式：赵宪宁，张国海.基于MOSFET的负载开关设计与实现[J].无线电工程，2015，45(6)：96-98.