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最近有一顆用了挺久的MOSFET發了停產通知，供應鏈部門找到我們研發部門，說供應商推薦了另外一型號的作為兼容替代，需要研發部門分析一下。我粗略掃了一下規格書，Vds，Id，Vgs(th)這些主要參數沒太大區別，反正現有的應用遠沒達到器件的極限，所以直接替換是沒啥問題的。本以為這事就這樣結了，不過為了給今年校招進來的新同事鍛鍊的機會，部門經理還是分配了做詳細兼容替代分析的任務給新同事A君。
結果過了兩天A君突然找到我：蔣工，這個替代的MOS管在你的新項目上替代不了。
我：？？？不會吧，這不是15A的MOS管麼，我這平均電流才不到6A，峰值電流也不超過8A，怎麼會用不了？雖然替代的MOS管導通電阻增加了幾個毫歐，我算了下耗散功率也沒增加太多，不應該有問題的。
A君：不是，其他參數都沒問題，最大脈衝電流超標了，替代的MOS管這項指標只有40A，之前那個是80A，你這個新項目測出來有60A。
我：不可能，這電路用了很久了，一直都沒出過問題，新項目雖然功耗增加了一些，但不可能有那麼大脈衝電流，因為板上的大電容總容量又沒增加多少，你是不是測錯了？
A君：那你過來看看。
啪~~~~~我的臉...
不就是MOS管開關電路嘛，So easy，閉著眼睛也能設計出來。這裡用的是PMOS，所以只要把柵極上拉到源極，再通過一個開關控制把柵極拉到地，這樣開關導通的時候MOS管也導通，完美。
然後就有了下面這個測試結果：黃色跡線是漏極電流，紫色是漏極電壓，藍色是源極電壓，綠色是開關使能，橘色用漏極電壓乘以漏極電流得到功率。是的我沒有看錯，開關導通的瞬間漏極電流最大能到60A！這次替代的MOS管最大脈衝電流是40A，這樣看來這個設計確實不安全。
可我還是不服氣，這個電路以前也用過，也詳細測過不可能出現這麼大的脈衝電流，雖然新項目在MOS管後面增加了一些電容，但電容總容量實際沒增加太多，即使上電瞬間充電也不太可能產生這麼大電流才對，一定是什麼地方出錯了。
新項目的功耗增加了大概30%，電源樹結構與之前的也有不小的區別，不過設計時並沒有增大板級的大型儲能電容容值，而是放了更多容量稍小但性能更好的MLCC（多層瓷片電容）到個負載電源附近以獲得更好的效果。
難道是多加進來的這些MLCC在搗鬼？先仿真驗證一下看看。
因為電容的ESL常常造成仿真結果出現震蕩，所以這裡電容只用了ESR，元件參數並不是實際的值，不過足夠說明問題了。當電容有一端沒有明確接到某個電壓的時候，如果不人為設定一下初始電壓，往往會造成仿真結果錯誤，這裡在C3上並了一個R5就是出於這種考慮。為了模擬衝擊電流造成的電源波動，這裡還對總電源和電源線進行了簡單建模。
仿真結果可以看到上電瞬間衝擊電流有22A左右，還算在可控的範圍內。
現在把萬惡的MLCC加上再試試，相比於470uF的電解電容，MLCC只有22uF，然後...60A的衝擊電流，增加了近3倍？！電容量增加還不到1/10，衝擊電流增加了那麼多倍，這樣翻車，我認還不行麼。
如果不使用MLCC而只是增大電解電容的容量，就增加到2200uF吧，翻了4倍多呢，結果脈衝電流最大值才24A，只是整個充電過程變長了。
這就是電容ESR搗鬼導致的，使用ESR較大的電解電容時，ESR限制住了流經電容的最大電流，所以衝擊電流並不會太大；而ESR非常小的MLCC，在電源接通的瞬間近乎直接斷路到地，所以會出現巨大的衝擊電流。
我這次算是敗給了直覺，直覺認為電容量決定了衝擊電流，而實際上ESR才主導衝擊電流的最大值，電容量更多的是決定充電的總能量（或者說電流與時間的乘積）。
元兇找到了，現在的問題是如何整改，最簡單的整改方法就是給MOS管加緩啟動電路。緩啟動電路以前也沒少用，不過這次設計偷懶，直覺又覺得不會出問題，所以就沒加上去，結果翻車了。
MOS管緩啟動電路的思路非常簡單，充分利用MOS管的線性區，不讓MOS管突然從截至跳到飽和就行了，也就是要給Vgs緩慢變化而不是突變，這樣MOS管在上電過程中相當於一個可變的電阻，可以溫柔地給負載電容充電而不是一口氣吃一個胖子。
電容兩端電壓不能突變，所以在MOS管的柵極和源極之間跨接一個電容，柵極通過電阻或者恆流源緩慢對電容放電而不是簡單粗暴開關接短接到地，這樣就能讓Vgs緩慢變化了。
仿真結果還不錯，衝擊電流從60A降到了不到15A，完全不用擔心MOS管罷工。雖然緩啟動增加了上電延時，不過對於總開關來說沒有太嚴格的上電時序要求，也不算什麼大問題。
不過沒完，這個緩啟動電路還會帶來另一個比較大的問題就是掉電延時，而且比上電延時要嚴重的多（這應該很容易想明白）。好在我這裡是總開關，所以掉電延時也不是什麼嚴重的問題，不過如果是用MOS管做嚴格的上下電時序控制，這就是個很嚴重的問題了。對時序控制要求高的場合，還是用專門的負載開關去處理吧，分立MOS開關搞起來就太折騰了。
當然這套簡單的緩啟動電路缺點還有不少，實際使用中還得根據實際情況進行調整，電路還會更複雜（比如在柵源間跨接二極體解決源極電源突然掉電又恢復時，電路鎖定在之前狀態的問題），這裡就不再展開了。
實際電路中加入緩啟動電路再測試，和預期的一樣有很大改善。
來源：知乎|蔣宇辰
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