电源关断下电过程稳定设计

一路上

前言

日常生活中使用的电器经常要关闭，例如关灯、电脑关机等。电器关闭会让电源经历一个关断的过程，这个过程要稳定才能避免意外过冲。而稳定的关断过程就是使电源的输入电压 (VIN)平稳下降至 0V。

为了实现稳定的关断，VIN下降需稳定，而且无负输出电压(VOUT) 过冲，无 VIN 或 VOUT 反弹。在电源关断过程中可以观察到的三种不稳定波形：R 类（具有快速 VIN 和 VOUT 反弹）、G 类（负 VOUT 过冲）和 B 类（具有延迟 VIN 和 VOUT 反弹）。

R 类关断（具有快速 VIN 和 VOUT 反弹）

图 1 显示了 R 类关断波形。在这种类型中，VIN 随着器件的关断稳定下降，在能量峰值期间VIN短暂升高，然后再次开始稳定的下降。

图1: R 类关断波形

R 类波形又分两种类型，如下所述。

R类关断（I型）

当DC/DC 变换器 重启时，会发生 R 类 I型关断。 假设是一个标准的关断，当 VIN 降至芯片的关断阈值时，芯片就会关断。VOUT 在这个过程中的下降将导致电流突然减小。然而，如果在此过程中芯片的输入线无处释放感抗的多余能量，则 VIN 会急剧升高。 如果 VIN 超过了芯片的工作阈值，芯片将恢复工作并导致非单调的关断波形。如果在 SW 侧有开关，则 R 类波形被归类为 I 型（参见图 2）。

图2: R 类I 型关断的线路寄生电感

R 类I 型波形相对而言比较容易预防。芯片规格中通常会提供使能 (EN) 和 VIN欠压锁定 (UVLO) 参数。图 3所示为 降压电源 MPM3683-7的EN和 UVLO 规格。

图3: 规格参数

有了这些规格参数，就可以通过以下这两种方法来避免不稳定的关断：

1. 优化输入滤波，减小输入电感，选择容值较大、等效串联电阻（ESR）和等效串联电感（ESL）较小的电容，并将输入电容尽可能靠近IC放置，从而减少 VIN 反弹。
2. 为 EN 选择有合适上/下限电压的电阻分压器；当 VIN 降至其 UVLO 阈值时，EN 可以关断，从而防止 IC 再次启动。

R类关断（II型）

如果负载突然减少，存储在集成输出电感或输出线电感中的多余能量将无处释放（见图4）；这在短时间内将显著提高 VOUT。

图4: R类II型关断

图 5 显示了 G 类关断波形。在这类关断中，VOUT 先稳定下降，然后快速下降至超过其目标值（称为负过冲），然后再回升至目标值。

图5: G类关断波形

与 R 类波形类似，G 类波形也可以细分为两种类型。

G类关断（I型）

如果降压电路的下管MOSFET (LS-FET) 在关断期间没有关闭，则电感电流会继续反向流动。这种情况在空载和轻载条件下更为常见，它可能导致 VOUT 下降得太低。 为了防止出现此问题，DC/DC 变换器 通常会在关断期间增加零电流检测 (ZCD)；当检测到电流达到 0A（通常称为 ZCD 点）时，将自动关断 LS-FET（见图 6）。这种方法可以有效防止关断期间的负过冲。

图6: 防止G 类I型关断中的负过冲

G类关断（II型）

输出线上的寄生感抗也可能导致VOUT出现负过冲（见图 7）。这种类型的关断较多发生在重载或输出短路故障期间。

图7: 降低G 类II型关断中的寄生感抗

最小化输出线的感抗可以防止 G 类 II 型关断。另外，还应增大负载端电容。 B类波形（具有延迟 VIN 和 VOUT 反弹） 图 8 显示了重载情况下产生的 B 类关断波形。在这类波形中，VIN和 VOUT 均急剧下降，然后短时间上升，再保持稳定（与 VOUT 相同）或再次下降（与 VIN 相同）。这两种情况都被称为反弹。

图8: 重载条件下产生的B类关断

B 类波形看起来与 R 类波形类似，但 R 类波形是由线路电感引起的，而 B 类波形的反弹要晚很多。在R 类关断期间，第一次关断后，VOUT 和 VIN 通常会在微秒内产生反弹；而在 B 类关断期间，VOUT 和 VIN 在长达数十毫秒的时间内可能都不会反弹。

电介质的电吸收效应是导致 B 类波形的原因。如果输入电容的放电电流一开始很大，然后突然降至 0A，则电容中的电介质会缓慢释放一些先前吸收的电荷。一旦放电电流再次达到芯片的启动电压，VOUT 就会反弹。

为了防止 B 类关断，可以通过 EN 关断芯片，这类似于 R 类 I型关断所用的方法。而且选择合适的 VIN 欠压保护 (UVP) 阈值和迟滞，以确保 EN 保持关断状态。这样，VIN 反弹不会超过芯片的上电阈值并导致意外重启。此外，还可以添加静态负载以消耗多余的电荷。

结语

为了提高电源关断的稳定性并防止负过冲，本文探讨了与电源关断过程相关的三种不同类型的关断波形（R 类、G 类和 B 类），并根据多余能量和负载条件对这些类型做了进一步细分。