【導讀】電源管理IC通常包含稱(chēng)為軟啟動(dòng)的內置功能。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(xiàn)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。大多數開(kāi)關(guān)電源都帶有軟啟動(dòng)功能，該功能可以從外部調節或在內部設置。
電源管理IC通常包含稱(chēng)為軟啟動(dòng)的內置功能。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(xiàn)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。大多數開(kāi)關(guān)電源都帶有軟啟動(dòng)功能，該功能可以從外部調節或在內部設置。在某些情況下，IC支持軟啟動(dòng)功能，但數據手冊中沒(méi)有提供軟啟動(dòng)方程。本文闡述了各種軟啟動(dòng)機制，并針對數據手冊未明確軟啟動(dòng)方程的情況提供了評估和測量軟啟動(dòng)時(shí)序的建議。此外，本文還為IC不包含軟啟動(dòng)功能但設計需要該功能的情況提供了解決辦法。
軟啟動(dòng)和預偏置軟啟動(dòng)
首次將電源應用于非隔離式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出低阻抗，導致開(kāi)關(guān)穩壓器IC的反饋環(huán)路在試圖快速對輸出電容充電時(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 )涉及預偏置軟啟動(dòng)功能，DC-DC電源上電之前，負載上存在電壓會(huì )導致輸出電容上存在電壓，此時(shí)該功能便會(huì )發(fā)揮作用。預偏置情況可能出現在多重電源設計或冗余電源設計中，其中電壓會(huì )流經(jīng)邏輯IC（如FPGA/ASIC）的場(chǎng)效應晶體管(FET)或鉗位二極管。如果該電壓超過(guò)軟啟動(dòng)電壓，并且IC缺少預偏置預防電路，則IC將認為輸出電壓過(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IC都包含預偏置電路，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)現方法包括逐漸增加基準電壓或控制功率開(kāi)關(guān)電流的斜坡。
軟啟動(dòng)實(shí)現
軟啟動(dòng)有兩種實(shí)現方式：電壓軟啟動(dòng)和電流軟啟動(dòng)。電壓軟啟動(dòng)在降壓穩壓器中非常常見(jiàn)。第一代Silent Switcher? 降壓轉換器LT8640中便有應用，其 VIN（最大值）為42 V，能夠提供5 A的負載電流。圖1為負責其電壓軟啟動(dòng)的框圖部分。
圖1. 電壓軟啟動(dòng)常見(jiàn)于降壓穩壓器中，LT8640框圖示例。
在軟啟動(dòng)周期 tSS 期間，連接到軟啟動(dòng)引腳的電流源對軟啟動(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(REF)電壓。在電壓軟啟動(dòng)方案中，外電壓調節環(huán)路使用軟啟動(dòng)引腳處的電壓作為基準來(lái)調節輸出電壓 (VOUT) ，直至反饋(FB)電壓達到REF電壓。此時(shí)，環(huán)路切換為使用內部REF電壓來(lái)調節 VOUT。在VOUT從零上升至目標電壓期間，器件通過(guò)強制FB電壓等于軟啟動(dòng)電壓 VSS, ，從而使外環(huán)基準電壓逐漸增加。對軟啟動(dòng)電容CSS 充電的電流源 ISS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CSS 充電的目標電壓為基準電壓，該方程可以寫(xiě)成：
對于LT8640，ISS = 1.9 μA and VREF = 0.97 V
圖2為負責 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的升壓穩壓器，也可用于SEPIC或反相設計?？驁D顯示，外電壓調節環(huán)路誤差放大器的REF直接連接到固定基準電壓。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，峰值 限流比較器的輸入逐漸提高，此斜坡上升過(guò)程持續至達到最大 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)對輸 出進(jìn)行充電。在電壓軟啟動(dòng)中，軟啟動(dòng)電容 (CSS ) 會(huì )控制REF以及相應 VFB 、 VOUT 的上升速率；而在電流軟啟動(dòng)中， CSS 負責在軟啟動(dòng) 期間控制峰值電流在特定時(shí)間上升。換句話(huà)說(shuō)， CSS 電容和電流源之間不再存在簡(jiǎn)單的線(xiàn)性關(guān)系。輸出電壓從零上升至其調節設定點(diǎn)所需的時(shí)間取決于多種因素，包括VOUT、 COUT和負載電流。
圖2. 電流軟啟動(dòng)，LT8362框圖。
在使用電壓軟啟動(dòng)的系統中，這個(gè)問(wèn)題相對簡(jiǎn)單，因為軟啟動(dòng)時(shí)間 (tSS )方程通常是線(xiàn)性的，數據手冊中也有提供。這意味著(zhù)，如果軟啟動(dòng)電容 (CSS ) 的某個(gè)值對應特定的軟啟動(dòng)時(shí)間，則將 CSS 的值加倍會(huì )導致軟啟動(dòng)時(shí)間加倍。例如，如果 CSS = 1 nF 時(shí)，軟啟動(dòng)時(shí)間為1 ms；那么CSS 為2 nF時(shí)， tSS 將為2 ms。LT8640演示板對此進(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地改變軟啟動(dòng)時(shí)間，從而延長(cháng)軟啟動(dòng)周期。
每次改變C8，負載電流都會(huì )改變。在0 A和隨后的4 A負載電流下觀(guān)察到軟啟動(dòng)。由于1 μF比0.1 μF大10倍，軟啟動(dòng)時(shí)間預計也會(huì )延長(cháng)10倍。
圖3. LT8640演示板原理圖。C8為軟啟動(dòng)電容。
圖4(C8 = 0.1 μF)和圖5(C8 = 1 μF)顯示了0 A負載對應的黃色跡線(xiàn)和4 A負載電流對應的棕色跡線(xiàn)。這兩個(gè)負載電流的啟動(dòng)時(shí)間相同，因此軟啟動(dòng)時(shí)間也相同。正如預期的那樣，1 μF電路的啟動(dòng)時(shí)間延長(cháng)10倍，從約50 ms (0.1 μF)變?yōu)榧s500 ms (1 μF)。負載電流的變化對啟動(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，負載電流不影響啟動(dòng)時(shí)間。
LT8362的數據手冊中未提供軟啟動(dòng)方程。利用演示板（圖6），通過(guò)改變軟啟動(dòng)電容C6的值并試驗如下三個(gè)不同的負載電流值可以測試出軟啟動(dòng)時(shí)序：0 A（無(wú)負載）、0.19 A和0.38 A。
圖6. LT8362演示板原理圖。軟啟動(dòng)電容C6和負載電流會(huì )改變。
圖7中，C6 = 0.22 μF，負載電流為0.19 A（黃色）和0.38 A（棕色）。當負載提高時(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。注意初始行為表現出的波紋，這種效應是使用數字負載進(jìn)行測試的結果，數字負載力求在輸出發(fā)生快速變化時(shí)保持電阻值恒定。數字負載設置為CR（恒定電阻）。如果將負載改為純阻性負載，則會(huì )觀(guān)察到更穩定和單調的啟動(dòng)行為，如圖8所示。數字負載和電阻負載的時(shí)序結果幾乎相同，因此可以繼續使用數字負載進(jìn)行啟動(dòng)差異測試。
圖7. C6 = 0.22 μF。將負載電流從0.19 A增大到0.38 A會(huì )改變軟啟動(dòng)時(shí)間
圖8.CSS = 0.22 μF,數字負載CR（棕色）與阻性負載（黃色）對比，0.19 A。
圖9中，C6增大到2.2 μF，與圖8相比，0.19 A（黃色）負載下的啟動(dòng)時(shí)間從約45 ms變?yōu)榧s500 ms，0.38 A（橙色）負載下的啟動(dòng)時(shí)間從約55 ms變?yōu)榧s580 ms，差異接近10倍，類(lèi)似軟啟動(dòng)電容比。與使用電壓軟啟動(dòng)的LT8640不同，負載電流會(huì )影響軟啟動(dòng)時(shí)序。結果表明，圖7所示的波浪效應有所減弱，但啟動(dòng)波形上存在一些紋波。圖10對比了數字負載波形（棕色）與純阻性負載（黃色）結果，突然的變化使得數字負載跳躍到不正確的值，但隨后會(huì )進(jìn)行補償并回到其平均值。數字負載的啟動(dòng)時(shí)間和平均值最終與純阻性負載的啟動(dòng)時(shí)間和平均值一致。這些觀(guān)察結果表明，雖然在這種情況下負載電流確實(shí)會(huì )影響軟啟動(dòng)時(shí)序，但數字負載仍然能夠予以補償并實(shí)現與純阻性負載類(lèi)似的結果。
圖9. C6 = 2.2 μF，負載電流從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(cháng)的啟動(dòng)時(shí)間使數字負載更容易設置正確的CR。
有時(shí)，為射頻放大器供電時(shí)，往往先接通電源，再連接負載。這種方法可確保電源在負載電流非常低或沒(méi)有負載電流時(shí)接通，從而有助于降低沖擊電流。圖11展現了這種情況，結果是啟動(dòng)時(shí)間縮短至約12 ms。即使在CC（恒定電流）模式下使用數字負載，負載設置為特定值（如0.19 A或0.38 A），仍然可以觀(guān)察到啟動(dòng)時(shí)間約為12 ms，這與無(wú)負載連接時(shí)相似。CC可能意味著(zhù)DC-DC轉換器具有高阻抗，因此必須小心謹慎，在所有可能的情況下準確測量軟啟動(dòng)時(shí)間。
圖11. C6為0.22 μF，無(wú)負載電流。
數據手冊未提供軟啟動(dòng)方程時(shí)，LTspice?以有效預測電路行為。圖12對圖10的測量結果進(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)負載和0.19 A電流的仿真也顯示了正確的結果，分別為約12 ms和約50 ms，與圖11和圖8相 似。即使數據手冊沒(méi)有明確提供軟啟動(dòng)方程，LTspice仿真也可以預測電路的行為并估計軟啟動(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果，與圖11和圖8一致。
當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。LT3990是一款降壓穩壓器，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(guò)AEC-Q100認證。但是，這款器件不包含軟啟動(dòng)功能。數據手冊規定其典型開(kāi)關(guān)限流值為0.7 A。實(shí)現軟啟動(dòng)功能需要添加分立元件，為評估添加元件前后的LT3990行為，可以使用內置LTspice電路示例（如圖14所示）。該電路將10 V轉換為5 V/0.35 A。通過(guò)電路仿真觀(guān)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)便達到典型限流值（圖15）。
圖14. LT3990的LTspice內置演示電路
圖15. LT3990電感電流在啟動(dòng)時(shí)達到限流值。
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 )對電源良好(PG)引腳產(chǎn)生影響。軟啟動(dòng)電路會(huì )導致PG引腳緩慢上升，因此該解決方案可能不適合某些依賴(lài)快速電源良好信號的設計。
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電壓達到Vgs(th)額定值并開(kāi)始導通所需的時(shí)間由RC常數和輸入電源決定。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常數以及輸入電源特性，共同決定了FET達到其閾值電壓并開(kāi)始導通所需的時(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。
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；達到Vgs(th)時(shí)，電流逐漸上升。
此方法是實(shí)現軟啟動(dòng)功能的可靠方式，可確保啟動(dòng)平穩可控且沒(méi)有任何浪涌電流。然而，為實(shí)現所需的軟啟動(dòng)行為，必須仔細選擇電阻、電容和FET的值，同時(shí)考慮電路的電源和負載要求。
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計。
結論 軟啟動(dòng)有電壓和電流兩種實(shí)現方式。對于電壓模式軟啟動(dòng)，軟啟動(dòng)時(shí)間 tSS 與 CSS 之間的關(guān)系通常是線(xiàn)性的。然而，對于電流模式軟啟動(dòng)，軟啟動(dòng)方程與負載電流、輸出電壓和輸出電容緊密相關(guān)，因此更加復雜。數據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載電流情況。要預測器件采用電流軟啟動(dòng)時(shí)tSS ，一個(gè)好辦法是使用LTspice進(jìn)行仿真。對于不包含內置軟啟動(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，而某些應用可能不希望出現這一幕。綜上所述，在實(shí)現軟啟動(dòng)時(shí)，重要的是要了解具體實(shí)現方式，即要確定電壓模式還是電流模式，并測試不同的負載情況以確定軟啟動(dòng)時(shí)序。 文章來(lái)源：亞德諾半導體
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