問(wèn)題

　　如果DC-DC器件具有兩個(gè)輸出,，但用作單路兩相輸出,，這會(huì)如何影響軟啟動(dòng)時(shí)序？

　　回答

　　如果器件有兩個(gè)獨(dú)立的軟啟動(dòng)引腳，每個(gè)引腳都有各自的電流源，現(xiàn)在將二者并聯(lián)連接,，形成單路輸出設(shè)計(jì)，此時(shí)電流源值會(huì)加倍,，相同的輸出電容將表現(xiàn)出原來(lái)一半的時(shí)序,。為了實(shí)現(xiàn)相同的軟啟動(dòng)時(shí)序,，軟啟動(dòng)電容值也需要加倍,。

　　摘要

　　電源管理IC （PMIC）通常包含稱為軟啟動(dòng)的內(nèi)置功能,。軟啟動(dòng)功能主要見(jiàn)于開(kāi)關(guān)電源中，但也可見(jiàn)于線性電源（LDO）中,，作用是在啟動(dòng)期間以受控方式逐漸提高輸出電壓,，從而限制沖擊電流。這有助于防止初始通電時(shí)電流或電壓突然激增,。大多數(shù)開(kāi)關(guān)電源都帶有軟啟動(dòng)功能,，該功能可以從外部調(diào)節(jié)或在內(nèi)部設(shè)置。在某些情況下,，IC支持軟啟動(dòng)功能,，但數(shù)據(jù)手冊(cè)中沒(méi)有提供軟啟動(dòng)方程。本文闡述了各種軟啟動(dòng)機(jī)制,，并針對(duì)數(shù)據(jù)手冊(cè)未明確軟啟動(dòng)方程的情況提供了評(píng)估和測(cè)量軟啟動(dòng)時(shí)序的建議,。此外，本文還為IC不包含軟啟動(dòng)功能但設(shè)計(jì)需要該功能的情況提供了解決辦法,。

　　軟啟動(dòng)和預(yù)偏置軟啟動(dòng)

　　首次將電源應(yīng)用于非隔離式DC-DC IC的輸入端時(shí),，輸出電容通常未充電，因而電壓電平為0V,。從電路角度來(lái)看,，從輸入到輸出的路徑表現(xiàn)出低阻抗，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器IC的反饋環(huán)路在試圖快速對(duì)輸出電容充電時(shí)發(fā)生飽和,。這可能產(chǎn)生峰值開(kāi)關(guān)電流,，其中IC提供的電流等于其電流限值。如果沒(méi)有軟啟動(dòng),，該啟動(dòng)浪涌電流可能會(huì)導(dǎo)致功率開(kāi)關(guān)故障,、電感飽和或IC因限流故障而完全無(wú)法啟動(dòng)。有些開(kāi)關(guān)DC-DC產(chǎn)品可能會(huì)涉及預(yù)偏置軟啟動(dòng)功能,，DC-DC電源上電之前,，負(fù)載上存在電壓會(huì)導(dǎo)致輸出電容上存在電壓，此時(shí)該功能便會(huì)發(fā)揮作用,。預(yù)偏置情況可能出現(xiàn)在多重電源設(shè)計(jì)或冗余電源設(shè)計(jì)中,，其中電壓會(huì)流經(jīng)邏輯IC（如FPGA/ASIC）的場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）或鉗位二極管。如果該電壓超過(guò)軟啟動(dòng)電壓,，并且IC缺少預(yù)偏置預(yù)防電路,，則IC將認(rèn)為輸出電壓過(guò)高，進(jìn)而便會(huì)激活低端FET以釋放輸出電壓,，這反過(guò)來(lái)又會(huì)產(chǎn)生較高的電感灌電流,。如今,，大多數(shù)IC都包含預(yù)偏置電路，用于在軟啟動(dòng)和反饋引腳上的電壓相等前,，防止IC切換其FET,。而當(dāng)二者電壓相等時(shí)，軟啟動(dòng)過(guò)程開(kāi)始,。

　　啟動(dòng)時(shí)輸出電容中的電流由下式確定：

　　該公式表明,，電容或啟動(dòng)時(shí)施加的電壓越大，或者持續(xù)時(shí)間越短,，啟動(dòng)電流就越大,。軟啟動(dòng)引入了更高阻抗路徑，使得輸出電容能以受控方式充電,，常用的相關(guān)實(shí)現(xiàn)方法包括逐漸增加基準(zhǔn)電壓或控制功率開(kāi)關(guān)電流的斜坡,。

　　軟啟動(dòng)實(shí)現(xiàn)

　　軟啟動(dòng)有兩種實(shí)現(xiàn)方式：電壓軟啟動(dòng)和電流軟啟動(dòng)。電壓軟啟動(dòng)在降壓穩(wěn)壓器中非常常見(jiàn),。第一代Silent Switcher^?降壓轉(zhuǎn)換器LT8640中便有應(yīng)用,，其V_IN（最大值）為42 V，能夠提供5 A的負(fù)載電流,。圖1為負(fù)責(zé)其電壓軟啟動(dòng)的框圖部分,。

　　在軟啟動(dòng)周期t_SS期間，連接到軟啟動(dòng)引腳的電流源對(duì)軟啟動(dòng)電容充電,，使得軟啟動(dòng)引腳處的電壓從零逐漸增加到基準(zhǔn)（REF）電壓,。在電壓軟啟動(dòng)方案中，外電壓調(diào)節(jié)環(huán)路使用軟啟動(dòng)引腳處的電壓作為基準(zhǔn)來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓（VOUT）,，直至反饋（FB）電壓達(dá)到REF電壓,。此時(shí)，環(huán)路切換為使用內(nèi)部REF電壓來(lái)調(diào)節(jié)V_OUT,。在V_OUT從零上升至目標(biāo)電壓期間,，器件通過(guò)強(qiáng)制FB電壓等于軟啟動(dòng)電壓V_SS，從而使外環(huán)基準(zhǔn)電壓逐漸增加,。對(duì)軟啟動(dòng)電容C_SS充電的電流源I_SS是恒定電流源,，因此可以得出如下軟啟動(dòng)方程：

　　由于軟啟動(dòng)電容C_SS充電的目標(biāo)電壓為基準(zhǔn)電壓，該方程可以寫成：

　　對(duì)于LT8640,，I_SS = 1.9μA,，V_REF = 0.97 V

　　圖1.電壓軟啟動(dòng)常見(jiàn)于降壓穩(wěn)壓器中，LT8640框圖示例,。

　　圖2為負(fù)責(zé)LT8362電流軟啟動(dòng)功能的框圖部分,，這是一款集成60 V/2 A功率FET的升壓穩(wěn)壓器，也可用于SEPIC或反相設(shè)計(jì),?？驁D顯示,，外電壓調(diào)節(jié)環(huán)路誤差放大器的REF直接連接到固定基準(zhǔn)電壓。在軟啟動(dòng)期間,，以軟啟動(dòng)引腳電壓作為峰值限流值的基準(zhǔn),，峰值限流比較器的輸入逐漸提高，此斜坡上升過(guò)程持續(xù)至達(dá)到最大峰值限流值為止,。軟啟動(dòng)功能通過(guò)Q1控制VC的斜坡,，從而控制功率開(kāi)關(guān)電流的斜坡,。本質(zhì)上,，這會(huì)逐周期提升可用電流來(lái)對(duì)輸出進(jìn)行充電。在電壓軟啟動(dòng)中,，軟啟動(dòng)電容（C_SS）會(huì)控制REF以及相應(yīng)V_FB,、V_OUT的上升速率；而在電流軟啟動(dòng)中,，C_SS負(fù)責(zé)在軟啟動(dòng)期間控制峰值電流在特定時(shí)間上升,。換句話說(shuō)，C_SS電容和電流源之間不再存在簡(jiǎn)單的線性關(guān)系,。輸出電壓從零上升至其調(diào)節(jié)設(shè)定點(diǎn)所需的時(shí)間取決于多種因素,，包括V_OUT、C_OUT和負(fù)載電流,。

　　圖2.電流軟啟動(dòng),，LT8362框圖。

　　如何預(yù)測(cè)軟啟動(dòng)時(shí)間t_SS,？

　　在使用電壓軟啟動(dòng)的系統(tǒng)中,，這個(gè)問(wèn)題相對(duì)簡(jiǎn)單，因?yàn)檐泦?dòng)時(shí)間（t_SS）方程通常是線性的,，數(shù)據(jù)手冊(cè)中也有提供,。這意味著，如果軟啟動(dòng)電容（C_SS）的某個(gè)值對(duì)應(yīng)特定的軟啟動(dòng)時(shí)間,，則將C_SS的值加倍會(huì)導(dǎo)致軟啟動(dòng)時(shí)間加倍,。例如，如果C_SS = 1 nF時(shí),，軟啟動(dòng)時(shí)間為1 ms,；那么C_SS為2 nF時(shí)，t_SS將為2 ms,。LT8640演示板 對(duì)此進(jìn)行了演示,，其中，軟啟動(dòng)電容C8可從0.1 μF變至1 μF,。電容值的變化將相應(yīng)地改變軟啟動(dòng)時(shí)間,，從而延長(zhǎng)軟啟動(dòng)周期,。

　　圖3.LT8640演示板原理圖。C8為軟啟動(dòng)電容,。

　　每次改變C8,，負(fù)載電流都會(huì)改變。在0 A和隨后的4 A負(fù)載電流下觀察到軟啟動(dòng),。由于1 μF比0.1 μF大10倍,，軟啟動(dòng)時(shí)間預(yù)計(jì)也會(huì)延長(zhǎng)10倍。

　　圖4（C8 = 0.1 μF）和圖5（C8 = 1 μF）顯示了0 A負(fù)載對(duì)應(yīng)的黃色跡線和4 A負(fù)載電流對(duì)應(yīng)的棕色跡線,。這兩個(gè)負(fù)載電流的啟動(dòng)時(shí)間相同,，因此軟啟動(dòng)時(shí)間也相同。正如預(yù)期的那樣,，1 μF電路的啟動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)10倍,，從約50 ms （0.1 μF）變?yōu)榧s500 ms （1 μF）。負(fù)載電流的變化對(duì)啟動(dòng)時(shí)序沒(méi)有影響,。

　　圖4.LT8640,。C8 = 0.1 μF，0 A（黃色）和4 A（棕色）負(fù)載電流的啟動(dòng)時(shí)間約為50 ms,。

　　圖5.LT8640,。C8 = 1 μF，啟動(dòng)時(shí)間約為500 ms,，負(fù)載電流不影響啟動(dòng)時(shí)間,。

　　LT8362的數(shù)據(jù)手冊(cè)中未提供軟啟動(dòng)方程。利用演示板（圖6）,，通過(guò)改變軟啟動(dòng)電容C6的值并試驗(yàn)如下三個(gè)不同的負(fù)載電流值可以測(cè)試出軟啟動(dòng)時(shí)序：0 A（無(wú)負(fù)載）,、0.19 A和0.38 A。

　　圖6.LT8362演示板原理圖,。軟啟動(dòng)電容C6和負(fù)載電流會(huì)改變,。

　　圖7中，C6 = 0.22 μF,，負(fù)載電流為0.19 A（黃色）和0.38 A（棕色）,。當(dāng)負(fù)載提高時(shí)，軟啟動(dòng)時(shí)間會(huì)增加,。啟動(dòng)時(shí)間從45 ms變?yōu)榧s55 ms,，差異約為10 ms。注意初始行為表現(xiàn)出的波紋,，這種效應(yīng)是使用數(shù)字負(fù)載進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果,，數(shù)字負(fù)載力求在輸出發(fā)生快速變化時(shí)保持電阻值恒定。數(shù)字負(fù)載設(shè)置為CR（恒定電阻）。如果將負(fù)載改為純阻性負(fù)載,，則會(huì)觀察到更穩(wěn)定和單調(diào)的啟動(dòng)行為,，如圖8所示。數(shù)字負(fù)載和電阻負(fù)載的時(shí)序結(jié)果幾乎相同,，因此可以繼續(xù)使用數(shù)字負(fù)載進(jìn)行啟動(dòng)差異測(cè)試,。

　　圖7.C6 = 0.22 μF。將負(fù)載電流從0.19 A增大到0.38 A會(huì)改變軟啟動(dòng)時(shí)間,。

　　圖8.C_SS = 0.22 μF,，數(shù)字負(fù)載CR（棕色）與阻性負(fù)載（黃色）對(duì)比，0.19 A,。

　　圖9中,，C6增大到2.2 μF，與圖8相比,，0.19 A（黃色）負(fù)載下的啟動(dòng)時(shí)間從約45 ms變?yōu)榧s500 ms,，0.38 A（橙色）負(fù)載下的啟動(dòng)時(shí)間從約55 ms變?yōu)榧s580 ms，差異接近10倍,，類似軟啟動(dòng)電容比。與使用電壓軟啟動(dòng)的LT8640不同,，負(fù)載電流會(huì)影響軟啟動(dòng)時(shí)序,。結(jié)果表明，圖7所示的波浪效應(yīng)有所減弱,，但啟動(dòng)波形上存在一些紋波,。圖10對(duì)比了數(shù)字負(fù)載波形（棕色）與純阻性負(fù)載（黃色）結(jié)果，突然的變化使得數(shù)字負(fù)載跳躍到不正確的值,，但隨后會(huì)進(jìn)行補(bǔ)償并回到其平均值,。數(shù)字負(fù)載的啟動(dòng)時(shí)間和平均值最終與純阻性負(fù)載的啟動(dòng)時(shí)間和平均值一致。這些觀察結(jié)果表明,，雖然在這種情況下負(fù)載電流確實(shí)會(huì)影響軟啟動(dòng)時(shí)序,，但數(shù)字負(fù)載仍然能夠予以補(bǔ)償并實(shí)現(xiàn)與純阻性負(fù)載類似的結(jié)果。

　　圖9.C6 = 2.2 μF,，負(fù)載電流從0.19 A變?yōu)?.38 A時(shí)的啟動(dòng)時(shí)間變化,。

　　圖10.C = 2.2 μF，更長(zhǎng)的啟動(dòng)時(shí)間使數(shù)字負(fù)載更容易設(shè)置正確的CR,。

　　有時(shí),，為射頻放大器供電時(shí)，往往先接通電源,，再連接負(fù)載,。這種方法可確保電源在負(fù)載電流非常低或沒(méi)有負(fù)載電流時(shí)接通，從而有助于降低沖擊電流。圖11展現(xiàn)了這種情況,，結(jié)果是啟動(dòng)時(shí)間縮短至約12 ms,。即使在CC（恒定電流）模式下使用數(shù)字負(fù)載，負(fù)載設(shè)置為特定值（如0.19 A或0.38 A）,，仍然可以觀察到啟動(dòng)時(shí)間約為12 ms,，這與無(wú)負(fù)載連接時(shí)相似。CC可能意味著DC-DC轉(zhuǎn)換器具有高阻抗,，因此必須小心謹(jǐn)慎,，在所有可能的情況下準(zhǔn)確測(cè)量軟啟動(dòng)時(shí)間。

　　圖11.C6為0.22 μF,，無(wú)負(fù)載電流,。

　　數(shù)據(jù)手冊(cè)未提供軟啟動(dòng)方程時(shí)，LTspice?可以有效預(yù)測(cè)電路行為,。圖12對(duì)圖10的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了LTspice仿真,，其中啟動(dòng)時(shí)間約為500 ms。使用0.22 μF的軟啟動(dòng)電容時(shí),，無(wú)負(fù)載和0.19 A電流的仿真也顯示了正確的結(jié)果,，分別為約12 ms和約50 ms，與圖11和圖8相似,。即使數(shù)據(jù)手冊(cè)沒(méi)有明確提供軟啟動(dòng)方程,，LTspice仿真也可以預(yù)測(cè)電路的行為并估計(jì)軟啟動(dòng)時(shí)序。這是用于理解和優(yōu)化電路性能的寶貴工具,。

　　圖12.LT8362啟動(dòng)波形的LTspice仿真,，與圖10一致。

　　圖13.LT8362的LTspice仿真顯示了正確的結(jié)果,，與圖11和圖8一致,。

　　為沒(méi)有軟啟動(dòng)的電路添加軟啟動(dòng)功能

　　當(dāng)IC沒(méi)有軟啟動(dòng)功能時(shí)，IC試圖提供給輸出電容（如果其未充電）的電流將是最大電流或限流電流,。為增加軟啟動(dòng)功能,，需要額外的分立元件，例如用于提供時(shí)間延遲的RC組合,，并可選用二極管或FET來(lái)提供保護(hù),。LT3990 是一款降壓穩(wěn)壓器，具有62 V/0.35 A FET,、寬頻率的工作范圍,，而且I_Q（靜態(tài)電流）及輸出電壓紋波非常低，已通過(guò)AEC-Q100認(rèn)證,。但是,，這款器件不包含軟啟動(dòng)功能。數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)定其典型開(kāi)關(guān)限流值為

　　0.7 A。實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)功能需要添加分立元件,，為評(píng)估添加元件前后的LT3990行為,，可以使用內(nèi)置LTspice電路示例（如圖14所示）。該電路將10 V轉(zhuǎn)換為5 V/0.35 A,。通過(guò)電路仿真觀察到,，在沒(méi)有軟啟動(dòng)功能的情況下，電感電流在啟動(dòng)時(shí)便達(dá)到典型限流值（圖15）,。

　　圖14.LT3990的LTspice內(nèi)置演示電路,。

　　圖15.LT3990電感電流在啟動(dòng)時(shí)達(dá)到限流值。

　　在FB引腳上添加一個(gè)簡(jiǎn)單的RC組合和一個(gè)保護(hù)二極管,，便可使FB電壓逐漸增加,，從而延緩啟動(dòng)電壓并降低沖擊電流（圖16）。圖17為電路仿真的初始電流浪涌情況,，盡管持續(xù)時(shí)間較短,。這種方法可以控制電流和輸出電壓的上升，以經(jīng)濟(jì)高效的方式提供軟啟動(dòng)功能,。然而,，必須注意該解決方案可能會(huì)對(duì)電源良好（PG）引腳產(chǎn)生影響。軟啟動(dòng)電路會(huì)導(dǎo)致PG引腳緩慢上升,，因此該解決方案可能不適合某些依賴快速電源良好信號(hào)的設(shè)計(jì),。

　　圖16.添加C4、R6和D1來(lái)偏置LT3990 FB引腳并延緩啟動(dòng)行為,。

　　圖17.仿真結(jié)果仍然顯示峰值電流，但上升較慢,。

　　為完全消除啟動(dòng)期間的浪涌電流,，另一種方法是添加一個(gè)由FET旁路的串聯(lián)電阻。FET電壓達(dá)到Vgs（th）額定值并開(kāi)始導(dǎo)通所需的時(shí)間由RC常數(shù)和輸入電源決定,。圖18為采用該方法的電路示例,，圖19為仿真結(jié)果。這種配置可以有效消除啟動(dòng)期間的浪涌電流,。由電阻和電容值確定的RC常數(shù)以及輸入電源特性,，共同決定了FET達(dá)到其閾值電壓并開(kāi)始導(dǎo)通所需的時(shí)間。這樣就可以讓輸出電壓和電流以受控方式逐漸增加,，從而消除通常與啟動(dòng)相關(guān)的浪涌電流,。

　　此方法是實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)功能的可靠方式，可確保啟動(dòng)平穩(wěn)可控且沒(méi)有任何浪涌電流,。然而,，為實(shí)現(xiàn)所需的軟啟動(dòng)行為，必須仔細(xì)選擇電阻、電容和FET的值,，同時(shí)考慮電路的電源和負(fù)載要求,。

　　圖18.添加M1和RC將旁路R5限流電阻。

　　圖19.電流先受R5限制,，無(wú)電流浪涌,；達(dá)到Vgs（th）時(shí)，電流逐漸上升,。

　　該仿真的PG引腳同樣可能與普通開(kāi)漏引腳不同,，因此并非適合所有設(shè)計(jì)。

　　結(jié)論

　　軟啟動(dòng)有電壓和電流兩種實(shí)現(xiàn)方式,。對(duì)于電壓模式軟啟動(dòng),，軟啟動(dòng)時(shí)間t_SS與C_SS之間的關(guān)系通常是線性的。然而,，對(duì)于電流模式軟啟動(dòng),，軟啟動(dòng)方程與負(fù)載電流、輸出電壓和輸出電容緊密相關(guān),，因此更加復(fù)雜,。數(shù)據(jù)手冊(cè)可能未闡明電流模式軟啟動(dòng)的方程，為了解軟啟動(dòng)時(shí)間的最小值和最大值,，可能需要測(cè)試不同的負(fù)載電流情況,。要預(yù)測(cè)器件采用電流軟啟動(dòng)時(shí)t_SS，一個(gè)好辦法是使用LTspice進(jìn)行仿真,。對(duì)于不包含內(nèi)置軟啟動(dòng)功能的IC,，需要額外的元件來(lái)使輸出電壓逐漸增加。如果沒(méi)有這些元件,，IC在啟動(dòng)時(shí)將提供最大電流,，而某些應(yīng)用可能不希望出現(xiàn)這一幕。綜上所述,，在實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)時(shí),，重要的是要了解具體實(shí)現(xiàn)方式，即要確定電壓模式還是電流模式,，并測(cè)試不同的負(fù)載情況以確定軟啟動(dòng)時(shí)序,。

更多精彩內(nèi)容歡迎點(diǎn)擊==>>電子技術(shù)應(yīng)用-AET<<