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功率MOSFET熱插撥浪涌電流限制方法

發(fā)布時間:2018-12-12 責任編輯:xueqi

【導讀】通信設(shè)備和服務(wù)器中,在插入和拔出電路板和板卡進行維修或者調(diào)整容量時,系統(tǒng)必須能夠保持正常工作。當后級的電路板和板卡接入前級電源系統(tǒng)時,由于后級電路輸入端帶有大的濾波電容,那么,在上電的瞬間電容相當于短路,大的電容充電電流和負載電流一起作用,產(chǎn)生大的浪涌電流,同時大的浪涌電流導致高的電流和電壓變化率,對系統(tǒng)產(chǎn)生一系列的安全問題。
 
(1)高的電流和電壓變化率與回路的寄生電容和電感產(chǎn)生電流和電壓尖峰,從而產(chǎn)生EMI問題。
 
(2)電流和電壓尖峰對回路的濾波電容,半導體器件及芯片,產(chǎn)生過電流和過電壓沖擊,影響它們的安全和使用壽命。
 
(3)大的浪涌電流還會導致前級電壓的跌落,引起前級電源管理IC的復(fù)位,系統(tǒng)會重新起動。
 
(4)瞬態(tài)的大浪涌電流會導致電路中使用的保險絲熔斷,導致系統(tǒng)不正常的停機。
 
1、使用被動元件
 
抑制浪涌電流的本質(zhì)就是要限制電路的電壓變化率di/dt、dV/dt,抑制浪涌電流使用的被動元件LC濾波器,串聯(lián)電阻和串聯(lián)NTC壓敏電阻。
 
(1)LC濾波器:通常在電路板的輸入電源端口都會加LC濾波器,減小輸入的干擾,滿足系統(tǒng)的EMI的要求,并維持電壓的穩(wěn)定,電感也可以限制輸入的浪涌電流。
 
通常要求電感有足夠大的飽和電流,這樣在大的電流的工作條件下,電感不會飽和,才能起到濾波和抑制浪涌電流的作用。具有較高的飽和電流的電感,尺寸和重量大,成本也高。
 
(2) 串聯(lián)電阻:使用的電阻大,在回路會產(chǎn)生較大的損耗,影響系統(tǒng)效率;使用的電阻大小,抑制浪涌電流效果較差。
 
有些系統(tǒng)使用繼電器來控制串聯(lián)電阻,系統(tǒng)上電起動完成后,將串聯(lián)電阻從主回路切斷。使用繼電器增加了成本和體積,線圈兩端觸點的開閉,會產(chǎn)生干擾,同時也會產(chǎn)生振動,同時繼電器的使用壽命低。
 
(3) NTC壓敏電阻:NTC只有在初次起動的啟動中才能抑制浪涌電流,而在連續(xù)的開關(guān)機起動過程中,失去效果。
 
2、使用有源器件
 
抑制浪涌電流使用的主動元件有串聯(lián)SCR晶閘管和串聯(lián)功率MOSFET,SCR晶閘管過去也應(yīng)用于浪涌電流抑制電路,由于它的體積大,功率損耗大,控制電路復(fù)雜,現(xiàn)在已經(jīng)很少使用。
 
目前,功率MOSFET由于柵極驅(qū)動電路簡單,導通電阻小穩(wěn)態(tài)功耗低,線性區(qū)工作特性可以有效抑制浪涌電流,因此廣泛應(yīng)用于負載開關(guān)和熱插撥(帶電插撥)電路。
 
熱插拔電路就是在插入電路板的電源之間串聯(lián)功率MOSFET,通過分立元件或集成IC控制功率MOSFET的開通和關(guān)斷,實現(xiàn)軟啟動緩慢接入電源,控制輸入浪涌電流對負載電容充電,從而保證后級電路從正在工作的系統(tǒng)中插入或移除時避免了出現(xiàn)連接火花、干擾背板供電和電路板卡復(fù)位等問題。
 
這種電路還具有實現(xiàn)不同的電源上電排序的功能,集成的負載開關(guān)和熱插撥電路同時還有電源管理的一些功能。
 
通訊系統(tǒng)中+12V熱插撥系統(tǒng),如果使用P溝道功率MOSFET,放在高端直接驅(qū)動。如果使用N溝道功率MOSFET,放在高端必須使用浮驅(qū)或自舉驅(qū)動(很少使用變壓器驅(qū)動)。雖然N溝道功率MOSFET放在低端可以直接驅(qū)動,這樣會導致輸入地、輸出地的隔斷,產(chǎn)生不共地問題,因此很少使用。P溝道功率MOSFET的成本高、導通電阻大,通訊系統(tǒng)中現(xiàn)在使用也越來越少。
 
圖1:正輸入電壓熱插撥
 
通訊系統(tǒng)中+48V熱插撥系統(tǒng),現(xiàn)在也是使用N溝道功率MOSFET,放在高端使用浮驅(qū)或自舉驅(qū)動。而-48V的熱插撥系統(tǒng),使用N溝道功率MOSFET,可以放在低端直接驅(qū)動。
 
圖2:負輸入電壓熱插撥
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