0 前言 目前在電子系統中使用了許多Buck降壓型變換器，這些變換器集成芯片中，有些使用了外部軟起動管腳來設定軟起動時間，而有些內部集成的數字或模擬的定時器固定了軟起動時間以減小外部管腳的分配降低芯片成本。在一些實際的應用中發現，有外部軟起動管腳的芯片有時因為內部軟起動電容的放電電路不能及時將軟起動電容的電荷放掉，導致系統重起時過流保護電路工作并閉鎖，系統不能正常工作；那些具有固定的軟起動時間的芯片有時卻不能滿足一些應用的要求。如在一些工業醫療電子系統應用中，有些電壓在上電過程中要求有非常長的軟起動延時；在汽車電子系統中，輸出電壓需要一個超極大電容，從而在電源掉電時或電機拋負載時，保證系統所需要的維持時間；無線上網卡中，輸出電壓更是需要一個超極大電容，保證功放電路正常的發射工作，這些應用由于輸出有大電容，若軟起動時間不夠，就會在系統的起動中產生問題。 1 電流跟蹤型和電壓跟蹤型軟起動電路 對于電流模式的Buck變換器，通常有電壓的外環和電流的內環，在電源上電起動的過程中，輸出電容短路，因此外環的輸出電壓誤差放大器輸出Vref達到工作的最大值。Vref為內環電流反饋信號的參考值，在起動過程中，Vref為越大值，電流也就達到最大值，占空比也達到最大值，這樣，芯片就工作在PWM所決定的最大限流值和最大占空比值，大的電流應力和發熱會損壞芯片，因此通常電源芯片需要一些保護電路，在起動的過程中，讓占空比逐漸的增大，實現系統的軟起動。 軟起動電路的工作方式有二種類型：電流跟蹤型和電壓跟蹤型。通常電流跟蹤型就是在起動的過程中，讓Vref的電壓隨時間的延長緩慢的增加，也就是在ITH管腳加一個電容，在上電的過程中，一個電流源緩慢對電容充電，電容的電壓也就緩慢的升高。由于Vref的電壓是輸入電流的參考值，這樣，就限制了起動過程的浪涌電流，同時占空比也逐漸的增大，實現系統的軟起動。當起動過程完成后，通過一個電路將電容的電荷放掉，以實現下一次的軟起動。 電壓跟蹤型就是在起動的過程中，讓輸出誤差電壓放大器的固定參考電壓Vref不起作用，由另外的一個隨時間的延長而緩慢增加的參考電壓起作用，這樣在上電的過程中，Vref的電壓為較低的值，從而限制了起動過程的浪涌電流，同時占空比也逐漸的增大，實現系統的軟起動。當起動過程完成后，固定的參考電壓Vref起作用，系統進入正常的反饋調節，而那個隨時間變化的參考電壓不再起作用。 圖1：電壓和電流模式軟起動電路控制節點 上面分析表明：電壓跟蹤型軟起動電路在起動過程中實時跟蹤輸出電壓的變化，因此它比電流跟蹤型軟起動電路能夠更有效的限制浪涌電流。 2 三種電流跟蹤型外部軟起動電路 一些集成的Buck變換器芯片由于內部集成的數字或模擬的軟起動定時器，因此軟起動時間不能調節。圖2中列出了常用的3種常用的外部軟起動電路，這3種常用的軟起動電路都是電流跟蹤型軟起動方式。 在圖2(a)，在上電的過程中，輸入電壓通過電阻對電容Cs充電，在瞬態的過程中，Cs相當于短路，二極管D1導通，VTH的電壓為二極管D1正向導通壓降。隨著電容電壓的升高，VTH的電壓也升高。然后二極管D1反偏關斷，軟起動過程結束。二極管D1導通將VTH的電壓較長的時間箝位在較低的值，從而實現系統上電的軟起動。注意到VTH最低工作電壓，因此要選用肖特基二極管，從而保證VTH的電壓值在較低的水平。此電路中，由于軟起動電容Cs沒有放電的回路，因此只能在系統輸入電源斷電后再上電時才能進行軟起動。在輸出過載或短路保護后，系統重啟時，無法提供軟起動。 (a) 二極管軟起動電路 (b) 三極管軟起動電路 (c) 三極管軟起動電路圖2：三種電流跟蹤型外部軟起動電路 圖2 (b) 的工作原理和圖2(a)類似，由于P型三極管的飽和壓降很低，能夠提供更為可靠的軟起動保護。同樣，也只能在系統輸入電源斷電后再上電時才能進行軟起動。在輸出過載或短路保護后，系統重啟時，無法提供軟起動。 圖2(c)中，當電源起動時，輸出電壓上升，電容相當于短路，T導通，VTH的電壓被箝位緩慢上升，從而開關電流和輸出電壓以一定的斜率上升，輸出電壓上升的時間由Cs的電流控制，Cs的電流由R2和三極管T的VTH確定。輸出電壓恒定后，Cs不再流過電流，對直流阻斷，T關斷電路正常工作。上升時間為： trise=Cs*R2*Vo/Vbe 此電路在輸出過載或短路保護后，系統重啟時，也能提供軟起動，但要注意是的：當輸出作大的負載跳變如滿載或短路到空載，輸出產生的上升沿會觸發此電路工作，導致系統復位重新起動，這在系統的要求中是不允許的。 圖3：外加軟起動波形 圖3為外加圖2 (c)中的軟起動電路的檢測波形，C1=100pF，使用的芯片為AOZ1014，不加外部的軟起動電路時，軟起動的時間為2至3mS，而且輸出短路后，當輸出短路去除時，電源重新起動，電路無法進入正常的軟起動，內部的開關管承受大的起動沖擊電流。加了軟起動電路后，輸出過載或短路保護后重起，輸入電流的浪涌很小，而且軟起動時間延長到10mS以上。 3 二種電壓跟蹤型外部軟起動電路 圖4中列出了2種電壓跟蹤型軟起動電路。在圖4(a)中有時此電容用作前饋電容，增加系統的動特性，當用作前饋電容時，其值很小，不大于1nF。若此電容作軟起動，其值很大，0.01~10uF。工作原理如下，沒有此電容時，輸出電壓由R1和R2分壓后再輸入到放大器，在起動過程中，輸出電壓低，因此，分壓后的電壓更低，放大器輸出高電平。加上此大電容后，在起動過程中，電容瞬態的短路，其導通時間長，因此R1短路，這樣輸出電壓沒有經過R1和R2分壓，直接加到放大器的輸入端，相比而言，放大器輸出電平就較低，因此實現軟起動。在輸出過載或短路保護后，系統重啟時，R1可以對Cs放電，也可以提供軟起動。由于使用較大的電容才能提供軟起動，這將影響系統反饋環，動特性變差。軟起動時間為： 基于上面的公式，可以針對要求的軟起動時間選擇合適的元件參數。此電路的特點是簡單，???便，注意的是應用中要檢查系統的動特性在要求的范圍。另外當輸出電壓低時，電容電壓變化值小，充電時間短，無法提供有效軟起動保護。 (a) 前饋電容軟起動電路 (b) 外部運放軟起動圖4：二種電壓跟蹤型軟起動電路 圖2-3(b)的電路基于運放的電路可以在各種條件下提供軟起動保護，輸出電壓通過電阻分壓器接在運放A的同相端，同時，輸出電壓通過RC電路接在運放的反相端，輸出電壓升高時，上電時，反相端由于電容充電短路的影響，同相端的電壓大于反相端，運放輸出高電壓，通過二極管加在FB管腳上，VITH的電壓為低電壓，在反相端電容充電過程中，VITH的電壓一直保持在較低的值，實現軟起動。輸出電壓繼續升高，電容繼續充電，反相端電壓上升，當輸出電壓快接近正常值后，反相端電壓將大于同相端，運放輸出低電壓，二極管VD2反偏，此電路不再起作用。當輸出短路時，并聯在R3的二極管VD1對Cs快速放電，從而為復位后下一次的軟起動做準備。當輸出電壓翻轉時，運算放大器的同相端和反相端電壓相等，所以有：V =V-，而運算放大器的同相端和反相端的電壓，軟起動時間分別為： 基于上面的公式，可以針對要求的軟起動時間選擇合適的元件參數。 檢測上述電路和實驗結果，輸入電壓12V，輸出3.3V/2A，輸出電容1000uF，使用AOZ1016作為測試芯片，正常的推薦電路，沒有加其它的外部元件，起動波形見圖2-4(a)所示，圖2-4(b)的波形為加了0.1uF前饋軟起動電容后的起動波形。 (a)Cs = 0pF (b) Cs =0.1uF 圖5：前饋電容軟起動電路波形 可以明顯的看到，沒有加前饋軟起動電容時，輸出電壓波形在上升過程中有一個臺階，同時軟起動時間約為3ms，加了0.1uF前饋軟起動電容后，輸出電壓波形在上升過程中沒有臺階，軟起動時間為約為13ms。通過改變此電容的大小，可以調節軟起動的時間。 圖6的波形為由外部運放組成的軟起動電路的起動波形，其中，R1=3.2k，R2=10k，C3=10pF，R3=5k，Cs分別為0.047uF和0.1uF。從波形可以的看到，輸出電壓有明顯的強烈的軟起動過程，輸出電壓以對數斜率增加，前饋電容軟起動電路的輸出電壓以指數斜率增加。Cs為0.047uF時，軟起動時間約為2.6ms，Cs為0.1uF時，軟起動時間約為4.6ms，同時輸出電壓上升的指數斜率值絕對值更小，也就是輸出電壓上升得更緩。此電路可能通過多個元件來可以調節軟起動的時間，靈活性強。 (a) Cs = 0.047uF/R3= 5k (b) Cs =0.1uF/R3 = 5k圖6：外部運放軟起動電路波形 (mbbeetchina)