解决“PMOS作电源开关，开通瞬间前级电源电压跌落”的几种办法

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解决“PMOS作电源开关，开通瞬间前级电源电压跌落”的几种办法 [复制链接]

在供电设备中，PMOS 管常当做开关使用，如果负载是较大的容性负载，则在 PMOS 管开通瞬间，造成前级电源电压跌落。如下面的示例：

 

解决“PMOS作电源开关，开通瞬间前级电源电压跌落”的几种办法

 
图 1 PMOS 作电源开关，开通瞬间前级电源电压跌落

现象描述：

 

PMOS 管打开时，会使前级电源 VCC 电压跌落。VCC_3G 并联一个 1000uf 电容，初步判断是 mos 管开启瞬间充电电流引起，减小容值有比较小的改善，直接去掉后电压才不会跌落，但是这个储能电容又不能去掉，请问有无改进办法？

 

其实，解决这个问题的关键，就在于降低大容量电容的充电速度。总的来说，有以下办法：

 

在 1000uF 与 PMOS 管之间串联电阻或者在电容上面串联电阻；

在 PMOS 管之前增加串联电阻；

降低 PMOS 管的开通速度，包括在 GS 间并联电容或者在 GD 间并联电容；

接下来，依次详解这三种方法。

 

一、在 PMOS 管与电容之间串联电阻或者在电容上面串联电阻

这种方法，其实就是降低电容的充电电流，从而减小前级电源电压的跌落。根据串联电阻的位置不同，可以分为两种，如图 2 所示。

 

 

 

 
图 2 在 PMOS 管与电容之间串联电阻或者在电容上面

不管哪种，串联电阻均能够降低电容的充电速度，但是也相应的降低负载驱动能力。

 

二、在 PMOS 管之前增加串联电阻

这种方法，其实和上面的方法大同小异，其本质都是降低前级电源对电容的充电电流，电路及如图 3 所示。

 

 

 

 
图 3 在 PMOS 管之前增加串联电阻

图 4 在 PMOS 管之前增加串联电阻仿真

其中，串联电阻大小以负载最大电流和 PMOS 管的最大允许电流的平均值而定。

 

关于功耗计算如下：

 

AO3401 最大可承受 30A 的脉冲电流，降额一半，以 15A 计。取样电阻阻值计算为：0.7V / 15A = 46.6mOhm，取 47mOhm 。电路进入稳态后，电流为 1A。取样电阻上功耗为 47 mW，与 MOS 管 （Ron = 50 mOhm) 相当。普通贴片电阻 0603 额定功率为 100 mW，仍有 50% 以上的降额幅度。

从仿真波形看，Q1 和 Q2 电流为 0 ，PMOS 管偏置由 C1 维持。

 

假设单片机控制电压为 5V，电源电压也为 5V。整个电路耗电 5V × 1A = 5W。

 

开关控制电路耗电为：

 

(47 + 50) mOhm × 1A + (5 – 0.7) V ^ 2 / 200 kOhm

= 97 mW + 92.45 mW = 189.45 mW

占约 0.18945 / 5 = 3.789% 的整个电路功耗。

 

三、降低 PMOS 管的开通速度，GS 间并联电容或者在 GD 间并联电容

这种方法则是通过控制 PMOS 管的沟道宽度来间接控制电容的充电电流。同样，根据并联电容的不同位置，也有两种方法：

 

3.1 GS 间并联电容

S8050 三极管未导通时，并联电容两端电压均为前级电源电压；当 S8050 导通后，并联电容则通过 1.2K 电阻 R4 放电，也就是 PMOS 管的栅极电压，当 GS 电压（PMOS 管 S 大于 G）满足导通阈值时，PMOS 管开始逐渐导通。

 

这种方法的效果跟并联电容容值，放电电阻阻值，PMOS 管的 GS 开通阈值有关。例如，PMOS 关的 GS 开通阈值一定时，并联电容的容值越多，效果越好。

但是，这也是这种方法的缺点。

 

3.2 GD 间并联电容

S8050 三极管未导通时，并联电容两端电压分别为栅极 VCC，漏极为高阻态；当 S8050 导通后，并联电容开始通过电阻 R4 放电，PMOS 管栅极电压逐渐降低，PMOS 管逐渐导通，PMOS 管漏极电压升高，反过来会使与 PMOS 管栅极连接的并联电容的极板电压升高（并联电容放电电流流经 R4 的结果），又抑制 PMOS 管的开通，如此反复，可以使电容平稳充电。

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1. 加大 PMOS 的栅极驱动电压：PMOS 的导通电阻与栅极驱动电压相关，适当提高 PMOS 的栅极驱动电压可以减小其导通电阻，从而缓解电源跌落的问题。但需要注意的是，过高的栅极驱动电压可能会给 PMOS 带来不必要的压力，从而缩短器件寿命。

2. 加大电容滤波：在前级电源输入处加入适当大小的电容，可以对电源波动进行缓冲和抑制，从而减小电源跌落的幅度。

3. 采用双极性电源设计：针对前级电源电压跌落较大的情况，可以考虑采用双极性电源设计，即在电源输入端同时加入正、负电源，以保证电路的稳定工作。

4. 优化前级电源设计：如果前级电源电压跌落问题较为严重，可以考虑从前级电源的设计入手，例如采用更高效的降压电路、加强电源抗干扰能力等方式来提高前级电源的稳定性。