如何讓電源關(guān)斷下電過程更加穩(wěn)定

簡(jiǎn)介

日常生活中使用的電器經(jīng)常要關(guān)閉，例如關(guān)燈、電腦關(guān)機(jī)等。電器關(guān)閉會(huì)讓電源經(jīng)歷一個(gè)關(guān)斷的過程，這個(gè)過程要穩(wěn)定才能避免意外過沖。而穩(wěn)定的關(guān)斷過程就是使電源的輸入電壓 (VIN)平穩(wěn)下降至 0V。

為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的關(guān)斷，VIN下降需穩(wěn)定，而且無負(fù)輸出電壓(VOUT) 過沖，無 VIN 或 VOUT 反彈。本文將探討在電源關(guān)斷過程中可以觀察到的三種不穩(wěn)定波形：R 類（具有快速 VIN 和 VOUT 反彈）、G 類（負(fù) VOUT 過沖）和 B 類（具有延遲 VIN 和 VOUT 反彈）。下面將分別描述這三個(gè)類別的關(guān)斷。

R 類關(guān)斷（具有快速 VIN 和 VOUT 反彈）

圖 1 顯示了 R 類關(guān)斷波形。在這種類型中，VIN 隨著器件的關(guān)斷穩(wěn)定下降，在能量峰值期間VIN短暫升高，然后再次開始穩(wěn)定的下降。

R 類波形又分兩種類型，如下所述。

R類關(guān)斷（I型）

當(dāng)DC/DC 變換器 重啟時(shí)，會(huì)發(fā)生 R 類 I型關(guān)斷。

假設(shè)是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)斷，當(dāng) VIN 降至芯片的關(guān)斷閾值時(shí)，芯片就會(huì)關(guān)斷。VOUT 在這個(gè)過程中的下降將導(dǎo)致電流突然減小。然而，如果在此過程中芯片的輸入線無處釋放感抗的多余能量，則 VIN 會(huì)急劇升高。

如果 VIN 超過了芯片的工作閾值，芯片將恢復(fù)工作并導(dǎo)致非單調(diào)的關(guān)斷波形。如果在 SW 側(cè)有開關(guān)，則 R 類波形被歸類為 I 型（參見圖 2）。

R 類 I 型波形相對(duì)而言比較容易預(yù)防。芯片規(guī)格中通常會(huì)提供使能 (EN) 和 VIN欠壓鎖定 (UVLO) 參數(shù)。圖 3所示為 降壓電源模塊 MPM3683-7的EN和 UVLO 規(guī)格。

有了這些規(guī)格參數(shù)，就可以通過以下這兩種方法來避免不穩(wěn)定的關(guān)斷：

1.優(yōu)化輸入濾波，減小輸入電感，選擇容值較大、等效串聯(lián)電阻（ESR）和等效串聯(lián)電感（ESL）較小的電容，并將輸入電容盡可能靠近IC放置，從而減少 VIN 反彈。

2.為 EN 選擇有合適上/下限電壓的電阻分壓器；當(dāng) VIN 降至其 UVLO 閾值時(shí)，EN 可以關(guān)斷，從而防止 IC 再次啟動(dòng)。

R類關(guān)斷（II型）

如果負(fù)載突然減少，存儲(chǔ)在集成輸出電感或輸出線電感中的多余能量將無處釋放（見圖4）。這在短時(shí)間內(nèi)將顯著提高 VOUT。

圖 5 顯示了 G 類關(guān)斷波形。在這類關(guān)斷中，VOUT 先穩(wěn)定下降，然后快速下降至超過其目標(biāo)值（稱為負(fù)過沖），然后再回升至目標(biāo)值。

與 R 類波形類似，G 類波形也可以細(xì)分為兩種類型。

G類關(guān)斷（I型）

如果降壓電路的下管MOSFET (LS-FET) 在關(guān)斷期間沒有關(guān)閉，則電感電流會(huì)繼續(xù)反向流動(dòng)。這種情況在空載和輕載條件下更為常見，它可能導(dǎo)致 VOUT 下降得太低。

為了防止出現(xiàn)此問題，DC/DC 變換器 通常會(huì)在關(guān)斷期間增加零電流檢測(cè) (ZCD)；當(dāng)檢測(cè)到電流達(dá)到 0A（通常稱為 ZCD 點(diǎn)）時(shí)，將自動(dòng)關(guān)斷 LS-FET（見圖 6）。這種方法可以有效防止關(guān)斷期間的負(fù)過沖。

G類關(guān)斷（II型）

輸出線上的寄生感抗也可能導(dǎo)致VOUT出現(xiàn)負(fù)過沖（見圖 7）。這種類型的關(guān)斷較多發(fā)生在重載或輸出短路故障期間。

最小化輸出線的感抗可以防止 G 類 II 型關(guān)斷。另外，還應(yīng)增大負(fù)載端電容。

B類波形（具有延遲 VIN 和 VOUT 反彈）

圖 8 顯示了重載情況下產(chǎn)生的 B 類關(guān)斷波形。在這類波形中，VIN和 VOUT 均急劇下降，然后短時(shí)間上升，再保持穩(wěn)定（與 VOUT 相同）或再次下降（與 VIN 相同）。這兩種情況都被稱為反彈。

B 類波形看起來與 R 類波形類似，但 R 類波形是由線路電感引起的，而 B 類波形的反彈要晚很多。在R 類關(guān)斷期間，第一次關(guān)斷后，VOUT 和 VIN 通常會(huì)在微秒內(nèi)產(chǎn)生反彈；而在 B 類關(guān)斷期間，VOUT 和 VIN 在長(zhǎng)達(dá)數(shù)十毫秒的時(shí)間內(nèi)可能都不會(huì)反彈。

電介質(zhì)的電吸收效應(yīng)是導(dǎo)致 B 類波形的原因。如果輸入電容的放電電流一開始很大，然后突然降至 0A，則電容中的電介質(zhì)會(huì)緩慢釋放一些先前吸收的電荷。一旦放電電流再次達(dá)到芯片的啟動(dòng)電壓，VOUT 就會(huì)反彈。

為了防止 B 類關(guān)斷，可以通過 EN 關(guān)斷芯片，這類似于 R 類 I型關(guān)斷所用的方法。而且選擇合適的 VIN 欠壓保護(hù) (UVP) 閾值和遲滯，以確保 EN 保持關(guān)斷狀態(tài)。這樣，VIN 反彈不會(huì)超過芯片的上電閾值并導(dǎo)致意外重啟。此外，還可以添加靜態(tài)負(fù)載以消耗多余的電荷。

結(jié)語

為了提高電源關(guān)斷的穩(wěn)定性并防止負(fù)過沖，本文探討了與電源關(guān)斷過程相關(guān)的三種不同類型的關(guān)斷波形（R 類、G 類和 B 類），并根據(jù)多余能量和負(fù)載條件對(duì)這些類型做了進(jìn)一步細(xì)分。

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