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1. 使能时间参数定义1

图 5.60 电源电路的使能时间参数定义1

如图5.60所示,降压电路的使能延迟时间(Enable Delay Time) t_(ON-DELAY) ,是在已经施加输入电源VIN的情况下,使能信号上升沿超过有效阈值(Enable Threshold Voltage)开始至输出电压单调上升到目标值10% 之间的时间。 

软启动时间(Soft-start Time),又叫上升时间(Rise Time),通常表示为 t_(SOFT-START) 或 t_RAMP 或 t_RISE ,是在满载条件下,开关电源上电启动(施加输入电源VIN且使能信号有效)后,其输出电压从目标值的 10% 单调上升到 90% 所需的时间;这是基于横坐标“时间”定义的。

这里需要说明的是:

① 在有些开关转换器规格书中,将软启动时间定义为输出电压从零上升到目标值的 100% 所需的时间。

② 如图5.60所示,在纵坐标 V_OUT 大小确定的情况下,软启动时间 t_RISE 与输出电压上升斜率(Output Voltage Slew Rate)成反比线性关系。所以,有些器件如FPGA或ASIC对电源的软启动时间有要求,有些对输出电压上升斜率有要求,本质上都是相同的,是基于不同的参数维度评价相同的电源指标。 

启动时间(Start-up Time) t_(START-UP) ,等于使能延迟时间 t_DELAY 与软启动时间 t_(SOFT-START) 之和。 

关断延迟时间 t_(OFF-DELAY) ,是从使能信号失效开始至输出电压下降到目标值的 90% 所需的时间。 

下降时间(Fall Time),定义为输出电压从目标值的 90% 跌落到 10% 所需的时间。

这里需要说明的是:

① 下降时间是与输出电容和负载阻抗强相关的变量。

② 与延迟软启动时间不同的是,通常期望更快的下降时间,这可以通过芯片内部或外部的快速放电电路实现,具体参考“6.2.6 输出放电功能 Output Discharge Function”章节相关内容。

2. 使能时间参数定义2

图 5.61 电源电路的使能时间参数定义2

图5.61所示,是另外一种电源电路的时间参数定义。

使能延迟时间——使能信号上升沿的50% 至输出电压上升到目标值的10% 。

启动时间——使能信号上升沿的50% 至输出电压上升到目标值的50% 。 

关断延迟时间——使能信号下降沿的50% 至输出电压下降到目标值的50% 。

上升时间(软启动时间)和下降时间的定义是不变的。

这里需要注意的是,对于这类半导体业界没有统一定义的参数来说,测量结果是否合规,需要参考具体电源芯片的规格书。

图 5.62 电源电路的启动时间、使能延迟时间、软启动时间

TIPS:使能信号阈值电压这个参数,会在电源芯片或负载开关芯片的规格书中给出。图5.63所示,分别是TPS54561DPRT、LM5116MH/NOPB和TPS22810DBVT规格书中给出的使能信号参数。

图5.63 使能信号参数举例

3. 软启动是什么,获得的好处是什么...

软启动功能,就是为开关电源电路配置一个最小启动时间,在启动后能够使输出电压“单调上升”到目标电压值 ;其目的是,在开关电源启动时控制浪涌电流或输出电压上升的斜率。为开关电源配置一个最小的软启动时间,至少可以获得两个好处:

其一,可以有效抑制浪涌电流,以免在启动瞬间对输出电容充电的电流达到开关电源的电流限值,也可减小对开关电路本身以及后端负载的电流应力,且可减小输入电压的跌落 。

其二,配置合理的软启动时间,有利于输出电压“单调上升”,而不会出现抖动,这对上电时序有较高要求的数字器件尤其是FPGA器件更加重要,因为系统上电时输出电压的抖动可能会导致后端数字器件或FPGA器件发生闩锁效应(Latch-up)问题。

4. 软启动的实现方法...

软启动功能的实现,通常有内部软启动(Internal Soft-start)和外部软启动(External Soft-start)两种实现方法。

以TPS54560DDA器件为例,该芯片采用内部数字软启动(Internal digital soft-start)方法,在施加输入电压VIN且使能信号EN电平高于1.2V后,芯片开始工作,将在1024个开关周期内将输出电压从零转换至目标电压(意味着FB引脚的参考电压也从零上升到参考值0.8V)。在这种软启动方法下,具体的软启动时间大小与开关频率成反比关系,较大的开关频率对应着较小的软启动时间。

如图5.64所示,是该芯片的软启动时间计算公式,以及规格书中给出的软启动时间典型值。基于TPS54560DDA器件的降压电路典型应用的软启动时间测量,见“6.1.10 启动时间是否合规?如何测量?”章节内容。 

图 5.64 TPS54560DDA器件的软启动时间计算公式及典型值

图 5.65 TPS54560DDA与TPS54561DPRT引脚对比

图5.65所示,从引脚功能看, TPS54561DPRT 器件比 TPS54560DDA 器件多了外部软启动/跟踪配置引脚SS/TR和电源良好引脚PWRGD。

图5.66所示,参考“ 2.2.3.3高边开关使用N-MOSFET 的非同步降压转换器 ”章节“ TPS54561DPRT非同步降压转换器的内部原理框图 ”,以TPS54561DPRT器件为例,外部软启动功能的实现方法是,SS引脚内置上拉电流源Iss = 1.7uA,外接软启动时间配置电容Css。

原理是,芯片上电后,由电流源Iss为软启动电容Css充电,该软启动电容上(即SS引脚上)的电压VSS从零开始缓慢上升到参考电压 或 ,同时输出电压会在相同的软启动时间内跟踪VSS从零开始单调上升到VOUT。

软启动电容上的电压变化率越小,输出电压VOUT的电压变化率也就越小,也就意味着由输出端浪涌电流 对输出电容充电速度越慢,不至于有很大的浪涌电流对输出电容充电,达到保护芯片或后级负载电路的目的。

图 5.66 TPS54561DPRT器件软启动相关参数

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