Калькулятор ограничения пускового тока в ключевой схеме

Пусковой ток возникает при подаче питания на цепь, особенно на цепи с емкостной нагрузкой. При заряде емкостной нагрузки возникает скачок тока и соответствующий провал напряжения на входе источника питания из-за внутреннего сопротивления батареи или блока питания. Обычно это не является проблемой при включении, так как предполагается некоторое время установления режима после подачи питания. Например, большинство микроконтроллеров удерживаются в состоянии сброса до стабилизации питания. Однако пусковой ток становится серьезной проблемой, когда питание подается на емкостную нагрузку спустя некоторое время после первоначального включения, так как пусковой ток и провал напряжения питания при достаточной величине могут вызвать сброс или снижение напряжения (brown out) микроконтроллеров.

Существуют различные способы уменьшения пускового тока. Представленная схема, называемая "ключевой схемой", использует 2 транзистора для ограничения пускового тока. Схема использует емкость затвора MOSFET-транзисторов. При выключенном питании оба транзистора закрыты, так как R2 подтягивает затвор Q1 к высокому уровню, делая Vgs равным 0В. При включении питания Q2 открывается и через слабый резистор R3 притягивает затвор Q1 к низкому уровню. R3 и емкость затвора образуют цепь с постоянной времени. Силовой транзистор Q2 открывается медленно, ограничивая пусковой ток и уменьшая провал напряжения питания. Дополнительный конденсатор C3 может быть добавлен между затвором и истоком силового транзистора для увеличения емкости затвора и использования резистора R3 меньшего номинала. Конденсатор также уменьшает вариации постоянной времени для разных транзисторов, которые могут иметь разброс параметров емкости затвора.

Величина провала напряжения питания зависит от внутреннего сопротивления батареи или источника питания и емкости нагрузки:

I(пусковой)= C(нагрузки)*dv/dt;

V(провал)= I(пусковой)*R(внутреннее сопротивление);

V(провал)= R*C*dv/dt;

Например, предположим, что у нас есть разряженная емкостная нагрузка 10 мкФ и батарея 9В с внутренним сопротивлением 2 Ом. При замыкании выключателя для подачи питания на нагрузку, dv=9В, а dt ограничено индуктивностью проводов и составляет 2.5 мкс. I(пусковой)=10*9/2.5=3.6А. В этом случае провал напряжения может достигать 7.2В (3.6А*2Ом). Если нагрузка имеет значительно большую емкость, например 100 мкФ, то ограничивающим фактором тока будет внутреннее сопротивление батареи или блока питания.

При проектировании схемы ограничения пускового тока найдите емкость затвора силового MOSFET из его технического описания и измерьте ширину импульса питания осциллографом. Цель - уменьшить глубину провала напряжения за счет увеличения его длительности. Постоянная времени силового транзистора Q2 и его базового резистора должна быть значительно больше длительности нескомпенсированного провала напряжения; хорошей отправной точкой является значение в десять раз большее.