揭開電源是這個(gè)黑匣子的神秘面紗

在我旅行并與許多市場(chǎng)領(lǐng)域的客戶會(huì)面時(shí)，我開始意識(shí)到許多硬件設(shè)計(jì)師必須成為電源工程師。硬件設(shè)計(jì)師負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)在工作和預(yù)期最壞情況下保持電氣和熱穩(wěn)定的穩(wěn)壓器；滿足處理器、專用集成電路 (ASIC)、雙倍數(shù)據(jù)速率 (DDR) 存儲(chǔ)器、混合立方體存儲(chǔ)器和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (FPGA) 所需的電源規(guī)格；并產(chǎn)生低電磁干擾（EMI）。穩(wěn)壓器的工作是通過線路（輸入電壓）、負(fù)載（輸出電流）和環(huán)境變化保持其輸出電壓恒定（調(diào)節(jié)）。

降壓（降壓）穩(wěn)壓器是最常用的開關(guān)穩(wěn)壓器拓?fù)?。幾種穩(wěn)壓器通常用于有線/無線通信、企業(yè)服務(wù)器/存儲(chǔ)、工業(yè)和個(gè)人電子產(chǎn)品的電路板中。當(dāng)今的開關(guān)穩(wěn)壓器具有大量控制和保護(hù)功能，可確保電源保護(hù)、可靠性和輸出電壓容差。

讓我們回顧一下它們的一些功能。

? 電源良好和啟用：電源良好是一個(gè)輸出標(biāo)志，指示穩(wěn)壓器的輸出電壓是否在預(yù)定/編程的輸出電壓窗口內(nèi)。一旦電壓達(dá)到該窗口，它就會(huì)到達(dá)最終的編程值，這是一個(gè)好兆頭。電源良好可以是有效的高電平或低電平信號(hào)。

Enable 是一個(gè)開/關(guān)輸入信號(hào)，也可以是高電平有效或低電平有效。Enable 打開或關(guān)閉電壓調(diào)節(jié)器。如果穩(wěn)壓器具有軟啟動(dòng)功能，它將以軟啟動(dòng)方式啟動(dòng)，假設(shè)其輸入電壓高于欠壓鎖定 (UVL) 閾值。如果從使能信號(hào)到軟啟動(dòng)存在延遲，則穩(wěn)壓器將在該時(shí)間延遲后軟啟動(dòng)。

Power good 和 enable 通常用于同一板上多個(gè)電源的順序電源排序，如圖 1 所示

圖 1：電源良好并啟用電源排序

· 軟啟動(dòng)：軟啟動(dòng)將穩(wěn)壓器緩慢打開至編程的占空比和輸出電壓，使輸出電流緩慢上升，從而減少浪涌電流，如圖 2 所示。浪涌電流可能導(dǎo)致輸出電壓過沖和系統(tǒng)故障或功率級(jí)損壞。浪涌電流發(fā)生在電路板的大容量電容器放電時(shí)，然后必須在輸入電源存在時(shí)一次全部充電。軟啟動(dòng)還避免了可能關(guān)閉 DC/DC 轉(zhuǎn)換器（閉鎖）的電流限制。軟啟動(dòng)通?？赏ㄟ^外部電容器或引腳設(shè)置（將軟啟動(dòng)引腳連接到板上現(xiàn)有的電壓軌）進(jìn)行調(diào)節(jié)或選擇。

圖 2：穩(wěn)壓器的軟啟動(dòng)和相應(yīng)的軟啟動(dòng)電流（輸出）

· 頻率同步：頻率同步是指穩(wěn)壓器的內(nèi)部振蕩器（時(shí)鐘）與外部時(shí)鐘同步，開關(guān)頻率與外部時(shí)鐘的開關(guān)頻率相匹配。當(dāng)同一板上存在多個(gè)電壓調(diào)節(jié)器時(shí)，這一點(diǎn)尤其有用。它們的基本開關(guān)頻率可以產(chǎn)生諧波，然后可以產(chǎn)生拍頻，如果音頻抑制和濾波很差，則可以以噪聲的形式進(jìn)入輸出，如圖 3 所示。頻率同步非常適合射頻 (RF) 或數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，例如基站和醫(yī)學(xué)成像。

圖 3：頻率同步

? 預(yù)偏置操作。預(yù)偏置啟動(dòng)條件是由于電壓調(diào)節(jié)器的輸出在該輸出變?yōu)橛行е按嬖谕獠侩妷憾l(fā)生的。這通常是由于 ASIC 和處理器中的泄漏電流造成的，即使在斷電后也會(huì)對(duì)輸出進(jìn)行充電。當(dāng)穩(wěn)壓器啟用時(shí)，它會(huì)軟啟動(dòng)高側(cè)（開關(guān)）FET，并且其占空比從零斜坡上升到電壓調(diào)節(jié)所需的占空比。如果在軟啟動(dòng)期間同步 FET 在高側(cè) FET 關(guān)閉時(shí)打開，則同步 FET 通過通過電感器對(duì)輸出電容器放電來從輸出吸收電流，從而導(dǎo)致內(nèi)核電壓下降并可能導(dǎo)致電源關(guān)閉.

具有預(yù)偏置能力的穩(wěn)壓器將在初始軟啟動(dòng)期間禁用完全同步整流（保持低端關(guān)閉），在具有窄導(dǎo)通時(shí)間的脈沖上啟動(dòng)第一個(gè)低端 FET，然后將導(dǎo)通時(shí)間周期遞增周期直到它與 (1-D) 規(guī)定的時(shí)間一致，其中 D 是降壓穩(wěn)壓器的占空比。本質(zhì)上，當(dāng)誤差放大器軟啟動(dòng)輸入電壓上升到編程反饋電壓值以上時(shí)，脈寬調(diào)制 (PWM) 脈沖就會(huì)啟動(dòng)（圖 4）。這可確保輸出電容在軟啟動(dòng)期間不會(huì)放電。預(yù)偏置依賴于輸入電壓始終高于輸出電壓。輸出電感器電流源僅在輸出電壓達(dá)到調(diào)節(jié)值之前為輸出電容器充電。

圖 4：在預(yù)偏置 V OUT下軟啟動(dòng)開始時(shí)的 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器

圖 5 顯示了 1.2VV OUT電壓在不同預(yù)偏置情況下的啟動(dòng)波形。第一條跡線是當(dāng)輸出電壓以零預(yù)偏置開始時(shí)。第二條和第三條跡線的預(yù)偏置電平分別為 0.5V 和 1.0V。當(dāng)輸出端出現(xiàn)預(yù)偏置電壓時(shí)，穩(wěn)壓器將從該電壓電平開始軟啟動(dòng)。TI 降壓穩(wěn)壓器（如TPS53317A）具有預(yù)偏置啟動(dòng)能力。

圖 5：預(yù)偏置 V OUT下的穩(wěn)壓器啟動(dòng)波形

了解電壓調(diào)節(jié)器的特性可以揭開電源是一個(gè)不透明的黑匣子的神秘面紗。