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为什么电机控制系统需要电源软起动？

为什么电机控制系统需要电源软起动？
为什么需要二极管D2？
C5和R8的作用分别是什么？

回帖（1）

刘强

2021-7-21 15:14:21
1.1.为什么需要电源软起动
在小功率系统中可以不用考虑电源软启动，但在大功率系统（譬如电机控制系统）中需要考虑。
在电源的附近都会有一个滤波电容和一个储能电容，滤波电容一般选104电容，储能电容依据当前系统功耗来选取。大电流系统，选取的储能电容也要越大（容值越大也就越贵），譬如4700uF，甚至多个电容并联在一起几万uF。
1.2.上电瞬间
上电前大电容两端的电压为0V，上电瞬间电容短路，并且容值越大，短路时间就越久；上电瞬间电容两端的电压瞬间上升，有一个非常大的斜率，即上电瞬间浪涌电容非常大，会对后级系统造成破坏，久而久之系统抗疲劳能力变差，系统寿命缩短。
1.3.解决思路
从源、回路、阻抗的角度出发;源和回路都不能改变，只能改变阻抗，即增加阻抗使沿变缓，譬如在电容前面增加一个电阻，增加电阻之后电流就会变小，此时di/dt也会变小。
增加电阻虽然能解决上面的大浪涌电流的问题，但会带来一个新问题：电容正级能输出给后面的电流变小了，如下图所示，A点只能提供24V/4.7K的电流，这显然不能正常驱动后面的大电流系统。

那把电阻阻值变小，譬如用1R电阻，电阻小了之前的浪涌电流大的问题又会出现，并且电阻面的功率就是24W，功率越大电阻成本也就越高。
总结：
增大阻抗，对后记负载输出电流的能力又下降；减小阻抗，EMI/浪涌问题又会出现；同时电阻的功率会急剧上升，同时成本也会大大增加（0R电阻价格比较贵）。 这两个问题似乎相互矛盾，不能同时解决。
1.4.解决问题
从电路工作状态的角度思考：
［tr］状态［/tr］初始上电状态输出电流小内阻高
正常工作状态输出电流大内阻低
很显然，一个电路不能同时满足内阻低和内阻高的情况，虽然看似矛盾，但因为不需要同时满足，所以可以分开解决。
系统电路有严格时序，先初始上电状态，然后是正常工作状态；在上电状态时让电路内阻高，正常工作状态之后内阻小，就可以满足设计要求。
初始上电状态，使用一个100R的电阻，可以使浪涌问题得到解决。
正常工作状态，使用一个电子开关将电阻R1短路，就可以使后级获得较大的电流。
电子开关有三极管和MOS管，三极管是流控流型的，电流比较小，所以这里选择小内阻的MOSFET，MOS管能流过电流很大并且内阻小。
1.5.MOSFET的选择
MOS管和三极管作为开关管使用时，P型接电源，N型接地。所以这里选择P管。这里使用NCE60P25K P型MOS管。

使用NCE60P25K P型MOS管，参数如下：

高压的MOS管RDS一般在50mΩ以上，低压的MOS管RDS为45mΩ已经非常大了，因为内阻大，所以比较便宜，RDS越小，价格也越贵。因为阻值会随温度而变化，内阻大了，MOS管发热也就会越严重，P管的RDS一般都大于N管的RDS。

从上表中可以知道，该MOS管的导通电压为20V。
1.6.软起动电路原理图
Q1导通时，内阻远远小于100R，即相当于将电阻R1短路。
R3决定了MOS管的导通速度：R3会限流，限流会减缓SG之间电容（杂散电容）的充电速度。R2主要起分压的作用，它可以对MOS管GS之间的电压进行限制。R2和R3消耗的功率是无用的，降低功耗的方式是增加R2和R3的阻值，这里都取10K。
在上电的瞬间，因为gs的波形会有震荡，会导致开通损耗很高，即发热很严重；可以在R2旁边并联一个小电容（滤波作用），该电容的容值不能太大，太大会导致MOS管开通更加慢（需要要给它充电，会吸收掉一部分的电流，所以会延长MOS到达开通电压的时间），这里选择103电容（10纳法）。

设置一个阈值电压，使用稳压管解决阈值问题。这里选12V，阈值越大，电流流经R1的时间就越长，及R1发热越久，功耗越大。当电容C1的电压达到（12 + 0.7）V时，三极管Q2开通，电流：24V–》Q1的引脚3–》Q1的引脚2–》Q2–》地，这条路通了，MOS管Q1也就通了，因为MOS管的内阻远远小于100R，所以电流大部分从24V–》Q1的引脚3–》Q1的引脚1–》电容C1。R4的阻值为4K，是一个经验值。
1.7.带开关的软起动电路
设计一个带开关的软起动电路，即按下开关时，电路上电，上电过程有软起动功能。

分析：
增加了一个开关S2，开关闭合的瞬间会有尖峰电压，所以需要一个电容C4进行滤波。防止流过R1的电流过大，时间过长，导致R1的功率非常大，为了方便散热，所以增加了一个电阻R2，这样封装更大，散热更快。当S2一断开，C4没有放电回路，所以增加电阻R7对C4进行放电，R7可以取大一点，譬如取10K或20K。
为什么需要二极管D2？
当S2闭合，开始对C3进行充电，假设C3的电压冲到12V时，后面的负载（譬如电机）被误触发，负载会迅速消耗掉C3上的电荷，也就是C3被快速的放电了，其电压迅速降低，这样C3两端的电压就一直到不了13V左右，三极管Q2就一直导通不了，MOS管Q1也就导通不了；所有的电流都是从电阻R1和R2通过，必定将他们都烧坏。
增加了一个二极管之后，三极管Q2的到导通与否只和源头电压+24V有关，和C3的电压无关。电压不可能瞬边，R7处的电压从0上升到24V需要一定的时间，这段时间足够让系统电压稳定了，并且源头电压不受负载的影响。也就是起到了：不管负载怎么变化，三极管的导通只和源头电压有关，和C3的充电电压无关，防止R1和R2过度发热。
C5和R8的作用？
Q1的耐压是60V，如果3和1之间的电压超过60V，MOS管会将它钳位在60V，但会发热，长期发热会使MOS管坏掉。高于60V的电压来自于上电瞬间，此时有很高的dv/dt，所以可以在上面增加一个电容，电容不消耗能量，为了消耗掉上电瞬间产生的能量，可以再增加一个电阻，这个电阻一般取很小，几欧姆或十几欧姆，这里取10R；防止3和1之间的电压过高（这里的过高指短期的尖峰电压过高）。
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