浅析计算机电源

前言

同步降压型开关电源具有输出电流大、效率高的优点，适用于电池供电的笔记本电脑等产品。通常笔记本电脑的各个组件，如CPU、芯片组、绘图芯片、内存、硬盘、光驱等，对电源输出电压/电流的需求不同。因此笔记本电脑内部有许多降压型直流电源转换器，以产生不同的输出电压/电流满足不同组件的电源需求。

大部分的同步降压转换器在关机时会产生振荡，产生的负压经常会造成一些元器件损坏。本文主要探讨产生负电压的原因以及相应的防范措施。

问题描述及理论分析

图1为同步降压型电源转换器的基本电路，电源转换器关机时，会将Q1关闭、Q2导通。这样，电感与Q2的连接点接地，Vc为输出电压，因电感、电容形成串联振荡电路、在输出端产生负电压，可能会超出负载的电压允许范围。

无负载的情形

假设同步降压型电源转换器输出电压为5V，且无负载。关机时，图1的低端 MOSFET Q2导通，构成有阻尼的LC串联振荡电路，Rs为整个放电路径电阻的总和：
Rs=Rsense Rinductor ESR Rdson (1)
求得等效电路的二次微分方程式的近似解为：

(2)

由方程(2)可知，当电感或电容较大时，其振荡频率f较小、负电压的振幅较小。因此若要减少负电压，可增加电感值或电容值。理论计算时，只考虑Rs所造成的阻尼损耗，并未考虑到电感电流过大造成电感饱合所增加的额外损耗，因此，实际输出负电压的振幅会小一些。

图3是在笔记本电脑电源设计中应用较为普遍的双输出、同步降压电源转换器MAX1631关机时(无负载、输出电压为5V)的输出波形，其负电压为-1.26V。
有负载的情形

假设Vc=5V，负载RL=1.67Ω。

求得等效电路的二次微分方程式的近似解为：

(3)

由方程式(3)可知，由放电路径RS造成的阻尼效果比负载造成的阻尼效果还大，即越大的Rs对减小负电压的振幅越有帮助。

减少负电压的方法

1)在输出端并联一个肖特基二极管以减小负电压的振幅。

图3为在MAX1631输出端并联肖特基二极管，实际测量关机时的输出波形，从波形图可以看出肖特基二极管可有效减少负电压的振幅。

2)关机时增加阻尼电阻Rs。

关机时低端MOSFET通过一个几欧姆的电阻接地，以12W为例，Rs=Rsense Rinductor ESR Rdson=12W。

由方程3可知，增加阻尼电阻，能避免电感电容振荡，而使其输出波形简化为RC放电，有效避免负电压的产生。

3)MAX1999电源转换器。

MAX1999为Maxim公司最新推出的双输出同步降压转换器，它在关机时将高端及低端MOSFET关闭，并在输出端通过12Ω电阻接地，整个等效电路变为简单的RC放电，其输出电压方程式为

(4)MAX1999在关机时连续监测输出电压，直到输出电压低至0.3V时，才将低端MOSFET导通，比传统关机方式配合肖特基二极管抑制负电压的效果还好，并可节省肖特基二极管的成本，是相当理想的解决方案。

以下是MAX1999关机时波形分析，假设L=7.6mH、C=330mF、 Rs=12Ω、而Vc(t)=0.3V，则输出电压从5V降至0.3V所需时间为：

图4为实测波形，它从5V降至0.3V的时间为11.6ms，与理论计算相当吻合，同时其负电压振幅仅为160mV，保证系统安全可靠。

结语

传统的同步降压电源转换器在关机时所造成的负电压可能造成系统中元器件的损坏，本文讨论的几种方案可有效减小负电压的振幅，特别是利用MAX1999可以达到优于使用肖特基二极管的效果，根本上避免了负电压造成元器件永久性损坏的可能性，并可节省系统成本，是相当理想的设计方案。

图1 同步降压型电源转换器的应用电路

图2 MAX1631在L=8.2mH, C=150mF，Vc=5V的关机波形
CH1 : MAX1631的5V输出 CH2 : DL5(低端MOSFET栅极)

图3 MAX1631在L=8.2mH, C=150mF，在输出并联肖特基二板管关机时波形

图4 MAX1999的关机波形