【摘要】
通信产品通常使用分散供电方式，每个单板都采用DC/DC模块将-48V电源转换为所需的5V、3.3V、2.5V等子电源。由于输入电压较高，并且电源
电路中存在用于滤波和防止DIP的大电容器，当单板插入上电时，会对-48V电源造成冲击。这种瞬时大电流会导致-48V电源电压出现跌落，可能影响其他单板的正常工作。此外，由于瞬时大电流的原因，单板插入时在接插件上会产生明显的打火现象，从而引起电磁干扰并腐蚀接插件。为了避免以上问题，-48V电源供电单板需要实施"缓慢"上电策略。
一、缓启动电路的功能
几乎所有通信设备产品的单板上，电源模块的输入端都设计有缓启动电路，该电路具备以下两个主要功能：
1、延迟单板电源的上电时间：我们的单板一般需要支持热插拔功能。当单板插入子机架时，单板插头与母板插针的接触不稳定。为了避免这种接触抖动的影响，可以在电源模块和母板电源之间添加一个电路，使得母板的电源延迟一段时间后再连接到电源模块。
2、减小上电时的冲击电流：由于单板电源都连接有滤波电容器，当电源瞬间跳变时，由于电容器充电的原因，会产生较大的冲击电流。这会导致母板电源电压抖动、下降以及强烈的电磁辐射。这种情况很容易对其他正在工作的单板造成不良影响。如果能够减缓电源的上电速度，将能有效地减小这种影响。
二、缓启动电路的运行原理
电路的原理图：
缓启动电路由R39，R49，C7和Q31组成，Q31是绝缘栅型场效应管，也是缓启动电路最关键的元件。为了理解缓启动的原理，我们首先回顾一些关于MOS管的基础知识。下图大致描述了典型MOS管的传输特性：
MOS管的特性表明，当Vgs小于某个电压（Vth）时，DS极之间的电阻Rds很大，相当于开路状态，电流无法通过；当Vgs达到Vth时，MOS管开始导通，Rds随着Vgs增加而急剧减小。当Vgs达到一定程度时，Rds非常小，可以近似看作是短路状态。Vth通常称为门槛电压（Voltage Gate threshold），一般为2-4V。
在缓启动电路中，电阻R39，R49和电容C7构成了一个分压式RC时间常数电路，C7并联在Q31的GS极之间，即Vc7=Vgs。当48V电源刚加到单板上时，C7未充电，Vgs=0，MOS不导通，电源模块不供电。随后，48V通过R39，R49充电C7，当C7的电压达到Vth时，MOS开始导通。这个阶段实现了延迟上电的功能，延迟时间可以通过以下公式估算：
Uin(R39/(R39+R49))(1-e^-T/τ)=Vth
其中，T为延迟时间，Uin=48V，τ为RC电路的时间常数，τ=C7（R39∥R49），Vth一般取4V。将原理图中的数值代入计算可知，延迟时间T约为15.3ms。
当MOS管开始导通后，Vgs继续增加（直到约12V），Rds急剧减小，缓启动的输出电压逐渐升高，直到与输入电压基本一致。此时电源模块开始工作，单板正式上电。在这个过程中，输出电压不会瞬间跳变到最高值，从而大大减轻了冲击电流对系统的干扰。该过程的时间取决于C7的充电速度、MOS管的特性以及负载特性，因此很难进行具体计算，需要根据实际测试和调整。
三、实测波形分析
下面的图示展示了缓启动的输入电压上电波形。
输入电压上电波形
该波形显示了在电源开合瞬间，输入端出现的抖动现象，持续时间约为1ms。如果是热插拔操作，则抖动的幅度和持续时间可能更大。
接下来的图示展示了C7电压上升的波形。
C7电压上升波形
可以观察到，在上电经过约15ms后，C7电压上升到约4V，与理论计算值基本一致。
再来看下面的图示展示了MOS管的D和S间的电压波形。
MOS管的D和S间电压波形
可以观察到，在开合后的14ms内，输入电压完全加在MOS管的DS两端，与理论计算值基本一致（考虑到MOS管的Vth并非总是准确的4V，误差是正常的）。从14ms开始，Vds以指数方式下降，过程持续约4ms。
最后，我们来看下面的图示展示了输出电压的波形。
输出电压波形
与缓启动的输入电压上电波形相比，可以观察到缓启动的输出电压不再有开合时的抖动，并且上升边沿非常明显，过程持续约4ms，实现了减小上电冲击的目标。
让我们将所有波形放在同一时间轴上进行比较，如下图所示：
所有波形比较
经过缓启动电路处理后，单板的实际供电电压（Uout）相对于输入电压（Uin）延迟了近20ms。这不仅消除了上电抖动，还有效减小了冲击效应。
四、总结
缓启动的时间常数电路需要确保电容充电后的电压不超过15V，因为一般大功率MOS管的G和S之间的击穿电压约为20V，过高的电压会损坏MOS管（现在许多单板上通过在电容两端并联稳压管来实现此目的）。然而，电压也不应低于10V，因为一般大功率MOS管的D和S之间的电阻Rds需要Vgs达到10V后才能达到最小值（通常在0.1欧姆量级）。
缓启动的延迟时间不能太长，原因有两点。首先，在热插拔时，单板接口信号线已连接，但电源尚未上电，如果延迟时间过长，可能导致接口器件闩锁损坏。其次，关键的缓启动器件MOS管在从截止到导通转换的过程中瞬间功耗非常大。如果电容充电过慢，导致边沿时间过长，MOS管由于功耗过大而可能损坏。一般来说，延迟时间取几十毫秒较为合适。
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