揭开电源是这个黑匣子的神秘面纱

在我旅行并与许多市场领域的客户会面时，我开始意识到许多硬件设计师必须成为电源工程师。硬件设计师负责设计在工作和预期最坏情况下保持电气和热稳定的稳压器；满足处理器、专用集成电路 (ASIC)、双倍数据速率 (DDR) 存储器、混合立方体存储器和现场可编程门阵列 (FPGA) 所需的电源规格；并产生低电磁干扰（EMI）。稳压器的工作是通过线路（输入电压）、负载（输出电流）和环境变化保持其输出电压恒定（调节）。

降压（降压）稳压器是最常用的开关稳压器拓扑。几种稳压器通常用于有线/无线通信、企业服务器/存储、工业和个人电子产品的电路板中。当今的开关稳压器具有大量控制和保护功能，可确保电源保护、可靠性和输出电压容差。

让我们回顾一下它们的一些功能。

• 电源良好和启用：电源良好是一个输出标志，指示稳压器的输出电压是否在预定/编程的输出电压窗口内。一旦电压达到该窗口，它就会到达最终的编程值，这是一个好兆头。电源良好可以是有效的高电平或低电平信号。

Enable 是一个开/关输入信号，也可以是高电平有效或低电平有效。Enable 打开或关闭电压调节器。如果稳压器具有软启动功能，它将以软启动方式启动，假设其输入电压高于欠压锁定 (UVL) 阈值。如果从使能信号到软启动存在延迟，则稳压器将在该时间延迟后软启动。

Power good 和 enable 通常用于同一板上多个电源的顺序电源排序，如图 1 所示

图 1：电源良好并启用电源排序

· 软启动：软启动将稳压器缓慢打开至编程的占空比和输出电压，使输出电流缓慢上升，从而减少浪涌电流，如图 2 所示。浪涌电流可能导致输出电压过冲和系统故障或功率级损坏。浪涌电流发生在电路板的大容量电容器放电时，然后必须在输入电源存在时一次全部充电。软启动还避免了可能关闭 DC/DC 转换器（闭锁）的电流限制。软启动通常可通过外部电容器或引脚设置（将软启动引脚连接到板上现有的电压轨）进行调节或选择。

图 2：稳压器的软启动和相应的软启动电流（输出）

· 频率同步：频率同步是指稳压器的内部振荡器（时钟）与外部时钟同步，开关频率与外部时钟的开关频率相匹配。当同一板上存在多个电压调节器时，这一点尤其有用。它们的基本开关频率可以产生谐波，然后可以产生拍频，如果音频抑制和滤波很差，则可以以噪声的形式进入输出，如图 3 所示。频率同步非常适合射频 (RF) 或数据采集应用，例如基站和医学成像。

图 3：频率同步

• 预偏置操作。预偏置启动条件是由于电压调节器的输出在该输出变为有效之前存在外部电压而发生的。这通常是由于 ASIC 和处理器中的泄漏电流造成的，即使在断电后也会对输出进行充电。当稳压器启用时，它会软启动高侧（开关）FET，并且其占空比从零斜坡上升到电压调节所需的占空比。如果在软启动期间同步 FET 在高侧 FET 关闭时打开，则同步 FET 通过通过电感器对输出电容器放电来从输出吸收电流，从而导致内核电压下降并可能导致电源关闭.

具有预偏置能力的稳压器将在初始软启动期间禁用完全同步整流（保持低端关闭），在具有窄导通时间的脉冲上启动第一个低端 FET，然后将导通时间周期递增周期直到它与 (1-D) 规定的时间一致，其中 D 是降压稳压器的占空比。本质上，当误差放大器软启动输入电压上升到编程反馈电压值以上时，脉宽调制 (PWM) 脉冲就会启动（图 4）。这可确保输出电容在软启动期间不会放电。预偏置依赖于输入电压始终高于输出电压。输出电感器电流源仅在输出电压达到调节值之前为输出电容器充电。

图 4：在预偏置 V OUT下软启动开始时的 MOSFET 驱动器

图 5 显示了 1.2VV OUT电压在不同预偏置情况下的启动波形。第一条迹线是当输出电压以零预偏置开始时。第二条和第三条迹线的预偏置电平分别为 0.5V 和 1.0V。当输出端出现预偏置电压时，稳压器将从该电压电平开始软启动。TI 降压稳压器（如TPS53317A）具有预偏置启动能力。

图 5：预偏置 V OUT下的稳压器启动波形

了解电压调节器的特性可以揭开电源是一个不透明的黑匣子的神秘面纱。