如何在沒有軟啟動(dòng)方程的情況下測量和確定軟啟動(dòng)時(shí)序？

問題

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

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。從電路角度來看，從輸入到輸出的路徑表現(xiàn)出低阻抗，導(dǎo)致開關(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)生峰值開關(guān)電流，其中IC提供的電流等于其電流限值。如果沒有軟啟動(dòng)，該啟動(dòng)浪涌電流可能會(huì)導(dǎo)致功率開關(guān)故障、電感飽和或IC因限流故障而完全無法啟動(dòng)。有些開關(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）的場效應(yīng)晶體管(FET)或鉗位二極管。如果該電壓超過軟啟動(dòng)電壓，并且IC缺少預(yù)偏置預(yù)防電路，則IC將認(rèn)為輸出電壓過高，進(jìn)而便會(huì)激活低端FET以釋放輸出電壓，這反過來又會(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)過程開始。

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。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)來調(diào)節(jié)輸出電壓(V_OUT)，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=1.9 μA，V_REF=0.97 V

圖1 電壓軟啟動(dòng)常見于降壓穩(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Q1控制VC的斜坡，從而控制功率開關(guān)電流的斜坡。本質(zhì)上，這會(huì)逐周期提升可用電流來對(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，C_SS電容和電流源之間不再存在簡單的線性關(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)問題相對(duì)簡單，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=1nF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50ms

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

LT8362的數(shù)據(jù)手冊中未提供軟啟動(dòng)方程。利用演示板（圖6），通過改變軟啟動(dòng)電容C6的值并試驗(yàn)如下三個(gè)不同的負(fù)載電流值可以測試出軟啟動(dòng)時(shí)序：0 A（無負(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)差異測試。

圖7 C6=0.22 μF。將負(fù)載電流從0.19A增大到0.38A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，0.19A

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)確測量軟啟動(dòng)時(shí)間。

圖11 C6為0.22 μF，無負(fù)載電流

數(shù)據(jù)手冊未提供軟啟動(dòng)方程時(shí)，LTspice?可以有效預(yù)測電路行為。圖12對(duì)圖10的測量結(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)手冊沒有明確提供軟啟動(dòng)方程，LTspice仿真也可以預(yù)測電路的行為并估計(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

為沒有軟啟動(dòng)的電路添加軟啟動(dòng)功能

當(dāng)IC沒有軟啟動(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IQ（靜態(tài)電流）及輸出電壓紋波非常低，已通過AEC-Q100認(rèn)證。但是，這款器件不包含軟啟動(dòng)功能。數(shù)據(jù)手冊規(guī)定其典型開關(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。通過電路仿真觀察到，在沒有軟啟動(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，無電流浪涌；達(dá)到V_gs(th)時(shí)，電流逐漸上升

該仿真的PG引腳同樣可能與普通開漏引腳不同，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，可能需要測試不同的負(fù)載電流情況。要預(yù)測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，需要額外的元件來使輸出電壓逐漸增加。如果沒有這些元件，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，并測試不同的負(fù)載情況以確定軟啟動(dòng)時(shí)序。

作者簡介

Rani Feldman于2017年加入ADI公司，擔(dān)任高級(jí)現(xiàn)場應(yīng)用工程師。此前，他曾在凌力爾特（現(xiàn)為ADI公司的一部分）工作了三年。Rani擁有以色列阿夫卡學(xué)院電子工程學(xué)士學(xué)位和以色列霍隆理工學(xué)院工商管理碩士學(xué)位。