現(xiàn)代開關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中的電容器噴灑可在模塊啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生高浪涌電流。除了元件損壞和系統(tǒng)故障的風(fēng)險(xiǎn)之外，這種浪涌電流還會(huì)給試圖在便攜式產(chǎn)品中化電池壽命的工程師帶來(lái)麻煩的問(wèn)題。

本文介紹了為什么會(huì)出現(xiàn)浪涌電流，如何影響電池壽命，以及現(xiàn)代電源模塊制造商為限制問(wèn)題所采取的措施。

什么是浪涌電流？

開關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器通常具有多個(gè)電容器。例如，一個(gè)器件構(gòu)成電磁干擾（EMI）輸入濾波器的一部分，用于限制輸入環(huán)路（圖1）中電流產(chǎn)生的干擾，而另一個(gè)器件位于輸出側(cè)，以限制電壓紋波。

圖1：主電源和開關(guān)穩(wěn)壓器之間低通輸入EMI濾波器的原理圖。電容器在啟動(dòng)期間充電，導(dǎo)致高浪涌電流（德州儀器公司提供）。

當(dāng)轉(zhuǎn)換器首次接通時(shí)，這些未充電的電容充當(dāng)虛擬短路，允許電流迅速升級(jí)。電流尖峰只有在各種電容器充電時(shí)才會(huì)持續(xù)，但它可以達(dá)到峰值，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)轉(zhuǎn)換器即使在滿載情況下也會(huì)經(jīng)歷的峰值。限制尖峰幅度的特性是線路阻抗和電容器的等效串聯(lián)電阻（ESR）。

不受控制的浪涌尖峰可能會(huì)造成嚴(yán)重破壞。在種情況下，組件可能被損壞或敏感的硅被干擾，從而發(fā)生系統(tǒng)錯(cuò)誤。但這不是全部;在具有適度電源的便攜式設(shè)備中，工程師為化電池壽命所做的所有好工作都可以通過(guò)任意電流行為來(lái)解決。1

啟動(dòng)失敗

電池在放電周期中的行為發(fā)生變化。當(dāng)電池放電時(shí)，其內(nèi)部電阻升高，電池可以提供給負(fù)載的電壓下降。請(qǐng)注意，容量和電源電壓之間的關(guān)系不是線性的。當(dāng)電池接近其壽命時(shí)，電壓會(huì)迅速下降（圖2）。

圖2：1.5 V的放電曲線恒定負(fù)載下的AA堿性電池（由Energizer提供）。

DC/DC轉(zhuǎn)換器需要電壓才能正常工作。為確保電源模塊不會(huì)嘗試低于該限制，制造商將欠壓鎖定機(jī)制納入其產(chǎn)品中。部分耗盡的電池提供大的浪涌電流將難以應(yīng)對(duì)，其電源電壓可能會(huì)降至欠壓閾值以下 - 導(dǎo)致產(chǎn)品無(wú)法啟動(dòng)。

更糟糕的是，電池可能會(huì)恢復(fù)，這樣設(shè)備的電池電量表指示它仍然有剩余容量，只有當(dāng)用戶再次嘗試打開產(chǎn)品時(shí)，過(guò)程才會(huì)重復(fù)。可能的結(jié)論是，在詢問(wèn)產(chǎn)品制造商的電池壽命聲明時(shí)，所有者將更換可維修的電池。工程師為限度地提高產(chǎn)品效率以延長(zhǎng)電池壽命所做的所有工作都將被浪費(fèi)掉。1

軟啟動(dòng)解決方案

硅供應(yīng)商提升開關(guān)電源模塊的高效率是其中一個(gè)關(guān)鍵原因用于為電池供電的產(chǎn)品選擇這樣的部件。因此，他們并不熱衷于看到浪涌電流所抵消的高效率所帶來(lái)的額外電池壽命。

供應(yīng)商的答案是實(shí)施軟啟動(dòng)制度。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，軟啟動(dòng)控制電流積累的速率，并使其不會(huì)超過(guò)既不會(huì)對(duì)元件施加應(yīng)力也不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)故障的預(yù)定值。

降壓（“降壓”）轉(zhuǎn)換器有時(shí)使用簡(jiǎn)單的軟啟動(dòng)方案，該方案依賴于電流檢測(cè)器。在固定時(shí)間或設(shè)定輸出電壓后釋放電流限制。優(yōu)點(diǎn)是芯片始終保持正常工作模式;然而，缺點(diǎn)是電流仍然可以迅速增加（即使峰值有限），導(dǎo)致電池電壓下降，并且如果電池剩余容量很小，則欠電壓機(jī)制啟動(dòng)。

降壓轉(zhuǎn)換器的另一種方法是限制輸出電壓增加的速率并防止其超過(guò)設(shè)定點(diǎn)（或至少化過(guò)沖）。這限制了浪涌電流升高的速率，并有助于防止電池電壓驟降，以至于欠壓機(jī)制觸發(fā).2升壓（“升壓”）轉(zhuǎn)換器往往具有更復(fù)雜的啟動(dòng)操作。例如，德州儀器（TI）的TPS6107x系列升壓轉(zhuǎn)換器具有三相軟啟動(dòng)功能。在階段，內(nèi)部同步FET工作在其線性區(qū)域，并提供固定的直流電流為輸出電容充電到一個(gè)幾乎等于輸入電壓的值。如果在階段1結(jié)束時(shí)，輸出電壓仍然低于1.8 V，則器件切換到階段2，在此階段以70％的占空比工作，直到輸出電壓大于1.8 V.（如果輸出電壓在階段1結(jié)束時(shí)大于1.8 V，然后跳過(guò)階段2。）

在軟啟動(dòng)的第三階段，誤差放大器接管并根據(jù)輸入和輸出電壓切換到正常占空比。在此周期內(nèi)，電流限制降至額定電流限值的50％，以限度地減少浪涌電流。當(dāng)輸出電容終充電至標(biāo)稱輸出電壓時(shí)，器件以標(biāo)準(zhǔn)電流限制開始正常工作。圖3說(shuō)明了軟啟動(dòng)如何防止輸出電壓過(guò)快上升。

圖3：TPS61070軟啟動(dòng)到50Ω負(fù)載。注意Vout的受控增加，其緩慢地對(duì)輸出電容器充電，限制浪涌電流（由Texas Instruments提供）。

設(shè)置電流閾值

電流閾值和輸出電壓設(shè)定點(diǎn)將根據(jù)應(yīng)用而變化。一些制造商通過(guò)允許工程師選擇電流使得單個(gè)轉(zhuǎn)換器可用于各種應(yīng)用，使模塊選擇更容易。

例如，AMS的AS1326升壓轉(zhuǎn)換器允許選擇啟動(dòng)期間的電流和軟啟動(dòng)時(shí)間常數(shù)。圖4顯示了實(shí)現(xiàn)的軟啟動(dòng)電路。工程師選擇兩個(gè)電阻（Rss和Rss2）和一個(gè)電容（Css）來(lái)設(shè)置電流限制（ILIMIT）和時(shí)間常數(shù)（tss）。

圖4：軟啟動(dòng)的電流限制和時(shí)間常數(shù)可以通過(guò)簡(jiǎn)單的應(yīng)用電路實(shí)現(xiàn)，用于AMS的AS1326。

其他制造商提供具有軟啟動(dòng)功能的開關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器。例如，Maxim Integrated Products為其廣泛的軟啟動(dòng)DC/DC轉(zhuǎn)換器提供MAX5073。這是一款2.2 MHz雙輸出降壓或升壓轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置數(shù)字軟啟動(dòng)功能。該公司聲稱該機(jī)制可降低浪涌電流，消除輸出電壓過(guò)沖，并確保上電期間輸出電壓的單調(diào)上升。

凌力爾特公司在其產(chǎn)品中提供具有軟啟動(dòng)功能的LTC3609。該模塊是降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器，可通過(guò)4至32 V輸入電源提供高達(dá)6 A的輸出電流。軟啟動(dòng)功能使用外部定時(shí)電容完成，轉(zhuǎn)換器的電流限制可由用戶編程。

總之，浪涌電流是電源開啟時(shí)電流消耗的尖峰。人們自然擔(dān)心高尖峰電流會(huì)在相鄰電路中產(chǎn)生電磁干擾，或使上游斷路器跳閘或固態(tài)電源控制器的過(guò)電流保護(hù)。

正如我們所見(jiàn)，DC/DC轉(zhuǎn)換器可采用良好控制的內(nèi)部啟動(dòng)序列和的輸出電壓軟啟動(dòng)功能。電壓軟啟動(dòng)功能可確保輸出以受控方式斜坡上升，dv/dt有限。本文重點(diǎn)介紹了幾個(gè)這樣的部件，以及供應(yīng)商允許在啟動(dòng)期間選擇電流以及軟啟動(dòng)時(shí)間常數(shù)的部件。