软启动电路在笔记本电脑上的设计与应用

     摘
要:介绍了软启动电路的基本原理,对笔记本电脑上的软启动电路进行了详细的分析。通过具体的应用实例,比较了软启动电路与普通电路在电压启动时间和冲击电流上的差异。实验结果表明了软启动电路可以减缓启动电压的上升速率,降低瞬间冲击电流,保护电路元器件。

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引言

　　随着手持式产品与便携式产品 (例如手机, MP4 , 笔记本电脑等 )的出现, 开关电源由于其效率高, 功耗小,体积小等优点得到了广泛的应用。开关电源在开机的瞬间会产生较大的冲击电流,峰值电流可能为稳态电流的几倍到几十倍。这么大的冲击电流容易导致电路中的零件不能正常工作,甚至有可能损坏电路中的零件。因此在电源开启的瞬间希望电路中电压和电流可以由低到高逐渐增大, 这一点在大功率电路或高压电路中尤其必要。软启动电路就可以实现上述功能,软启动电路在国外称为 So ft Starte r电路。

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软启动电路的工作原理

　　软启动电路的工作原理是在电源开启的瞬间, 通过适当的方法将电压由零慢慢提升到额定电压,启动电流由过去过载冲击电流不可控变成冲击电流可控制,并且可以根据实际的需要调节启动电流的大小。

　　常见的软启动电路实现的方法:

　　1) 利用电容的充电效应实现软启动;2) 利用限流电阻与控制电路实现软启动;3) 利用单片机或 DSP实现软启动。

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软启动电路在笔记本电脑上的设计

　　图 1为笔记本电脑的软启动电路图, 工作原理是: 在电路中设定一个固定的电压阈值,当电压未达到该阈值时利用电容的充电效应, 延长电压的上升时间, 以达到场效应管 P
MOS慢慢开启,降低电路中的冲击电流。

图 1
笔记本电脑软启动电路图.

　　开启电源 (在实验中使用的开关电源输出电压为 20 V,电流为 4 . 5 A)后,电流经过 L1后 P
MOS U1的 S端电压为+ DC_I N。在 t= 0+时刻, 电容 C3两端相当于短路, U1的Vg s= 0 V。电路对 C3进行充电, C3的两端电压满足下面的公式:

　　P
MOS U1 所 用 的 型 号 为 V i shay 公 司 生 产 的Si 4435BDY, 在 Vg s- 4 . 5 V时 (后续为了方便说明 Vg s均为其 ), 该 MOS可以完全导通,此时有:

　　将
= 47 m s代入公式 ( 5)有: t= 14 . 7 m s 。

　　根据上面的分析与计算, U1的 Vg s从 0 V变化到 4 . 5 V所需的时间约为 14 m s , 随着电源对 C1的充电 U1的 Vg 电压会从 Vs的基准电压逐渐下降到:

　　随着 Vg s的变化, P- MOS U1会从断路到半导通到终转变为完全导通, Vd 的电压也会从 0 V逐渐上升到 Vs的基准电压 ( Vs= 20 V), 从而达到软启动的效果。从图 2中可以看到 Vd 的启动时间约为 3 . 8 m s 。

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软启动电路和普通电路的比较

　　下面从 P
MOS U1的 Vg s的启动时间, Vd 的启动时间和漏极电流 Id 这三方面来比较软启动电路与普通电路的差异。为了具有可比较性,普通电路只少电容 C1这一颗零件,电路的其余部分均与软启动电路图 1相同。

　　3 . 1
Vgs启动时间的差异

　　由前面的分析与图 2可以得知: 软启动电路中 Vgs启动时间约为 14 ms。普通电路电源在开启的瞬间电流经过 L1后,会迅速通过电阻 R 1和 R2分压, Vg s的电压即为 R 1两端的电压, Vg s启动时间相当短。从图 3中, 可以看到 Vg s从 0 V变化到 4 . 5 V 是在几十个微秒之内。

　　3 . 2
Vd启动时间的差异

　　由前面的测量可以得知:软启动电路中 Vd 启动时间约为 3 . 8 m s 。从图 3中可以看到: 普通电路中 Vd启动时间约为 160 us , 由此可见软启动电路在电路开启时的确可以降低启动电压的上升速率。

　　3 . 3
Id的差异:

　　从图 4中可以看到软启动电路在启动的瞬间漏极电流Id 达到 4 A,而从图 5中可以看到普通电路在启动的瞬间漏极电流 Id 高达 38 A。根据 P
MOS U1的芯片资料查到 Id 的允许值为 9 . 1 A, 由此可见, 在普通电路开启的瞬间, U1的漏极电流 Id 很有可能会导致电路不能正常工作, 甚至有可能将电路中的零件损坏。

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结束语:

　　本文结合笔记本电脑的实际应用, 讨论了软启动电路的工作原理,并比较了软启动电路与普通电路在电压开启时间与冲击电流等方面的差异。通过实验分析得知: 软启动电路如果应用得当的话, 可以减缓启动电压的上升速率, 降低电路中的冲击电流, 防止零件因过流损坏, 从而可以很好的保护电路。