在电源设计中,软启动和抗饱和设计是两个至关重要的方面,直接关系到电源的稳定性和可靠性。
下面我将对这两个概念进行更详细的解释,并补充一些额外的考虑因素。
软启动是一种在电源开机时逐渐提高输出电压或电流的技术,在减少启动时对电源内部元件的冲击。这种技术通过控制启动过程中的电压或电流上升斜率来实现,避免了瞬间大电流或高电压对元器件的损害,从而提高了系统的可靠性和寿命。现代电源管理芯片往往内置了软启动功能,这使得设计更为简便。设计师只需合理配置相关参数,即可实现平滑的启动过程。
电感饱和是电源设计中常见的问题之一,特别是在大电流应用场合。当电感中的电流超过其额定值时,电感会失去其原有的电感特性,导致电流急剧上升,可能引发损坏。因此,抗饱和设计是电源设计中不可或缺的一环。在PFC(功率因数校正)电路中,通过在电感上并联二极管,利用大电解电容的低初始电位快速充电,可以有效缓解开机瞬间的大电流冲击,减少电感饱和的风险。这种方法可能会引入额外的损耗和复杂性。一些先进的电源管理芯片能够通过内部算法控制工作频率,以应对不同负载条件下的电感饱和问题。在开机瞬间或负载突增时,芯片可以提高工作频率,从而减小电感中的电流密度,避免饱和。
通过调节反馈补偿脚(COMP脚)的参数,可以精确控制输出电压的上升速度和稳定性,有效抑制输出过冲。对于采用二次侧反馈的方案,需要仔细调整环路参数,包括光耦合器、TL431或双运放的补偿网络,以确保系统的稳定性和响应速度。调整不当可能导致过冲、振荡等问题,影响电源性能。
选用性能稳定、功能强大的主控芯片是设计成功的关键。不同品牌的芯片在软启动、抗饱和、环路稳定性等方面可能有所差异,需根据具体需求进行选择。合理的PCB布局和走线对电源性能有重要影响。应尽量减少信号干扰和电磁辐射,确保电源的稳定性和可靠性。基准电压源(TL431)、运放等元件的选型也需慎重考虑。不同品牌和型号的元件在性能上可能存在差异,应根据实际需求进行选择。在高功率应用中,散热设计尤为重要。应确保电源内部元器件在工作过程中能够及时散热,避免过热损坏。
简单的软启动:
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下面以2843为例解释一下:
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软启动电路的设计原理主要是为了防止在电源开机瞬间,由于输出电压尚未稳定,开关电源控制芯片直接输出高占空比的PWM脉冲,导致开关管过流或输出电压过高而损坏电路元件。通过引入一个由二极管D、电阻R和电容C组成的软启动电路,可以逐步增加PWM脉冲的占空比,使电路平稳过渡到稳定工作状态。实现原理详解电路连接:电阻R的上端连接到UC2843的8脚VREF(基准电压脚,通常为5V)。二极管D的阳极连接到UC2843的1脚COMP(比较器输出脚,用于控制PWM占空比)。电容C的一端连接到电阻R和二极管D的公共点,另一端接地。工作原理:初始上电时,电容C的电压为零,导致二极管D截止(正向偏置不足),此时UC2843的1脚COMP电压也接近零。由于COMP脚电压低,UC2843的6脚(PWM输出脚)会输出低占空比的PWM脉冲,从而限制开关管的导通时间。随着电源供电,通过电阻R向电容C充电,电容C上的电压逐渐升高。这个电压通过二极管D反馈给UC2843的1脚COMP,使其电压也逐渐升高。COMP脚电压的升高导致UC2843的6脚输出的PWM脉冲占空比逐渐增加,直到电容C充电至稳定状态,此时PWM脉冲占空比也达到正常工作水平。参数计算:电阻R:通常选择1KΩ,这是一个常用的值,有助于确定电容C的充电速率。电容C:根据所需的启动时间(如100个周期,对应300KHz的1/100即3KHz)和公式t = RC(注意这里t是时间常数,实际充电时间会有所不同,但可作为估算),可以计算出C的值为0.053uF。实际中常选择0.047uF或0.1uF的标准电容值。
二极管D:选择耐压大于10V的普通二极管即可,1N4148,因为这里的电压不会超过UC2843的基准电压5V,所以反向恢复特性不是主要考虑因素。
![1721791998511370.png image.png](http://uphotos.eepw.com.cn/1676336893/pics/1721791998511370.png)
在电源设计中,软启动电路的作用至关重要,特别是在涉及多通道、高集成度或敏感负载(ARM核心板)的应用中。软启动电路的主要目的是在电源启动时限制浪涌电流,使输出电压平稳上升,从而减少对输入电源的冲击和对其他电路或设备的潜在干扰。针对您描述的P800烧录器在多通道异步在线烧录测试中出现的不稳定现象,以及通过示波器观察到的VDD波形变化,我们可以进一步分析并找出问题的根源和解决方案。问题分析共用电源VDD的干扰:当一个通道(VDD_OUTx)上电并初始化时,由于ARM核心板上电过程中可能存在较大的电流变化(特别是电容充电时),这会导致共用的电源VDD出现电压波动。这种电压波动可能足以影响其他已经稳定运行的通道,导致烧录失败。开关电路的设计:当前的开关电路设计(使用Q1和Q2)虽然实现了通道间的电源隔离,但在电源上电过程中未能有效抑制由ARM板引起的电压波动。解决方案引入软启动电路:在每个通道的电源输入端(VDD_OUTx之前)加入软启动电路。这可以通过在VDD_OUTx之前串联一个RC电路(电阻和电容)或使用专用的软启动芯片来实现。软启动电路会限制电源上电时的初始电流,使输出电压逐渐上升到设定值,从而减少浪涌电流和电压波动。优化开关电路设计:考虑使用具有更快速响应和更高稳定性的开关元件(MOSFET)来代替当前的晶体管开关电路。确保开关元件的驱动信号足够稳定,不受其他通道上电过程的影响。电源隔离与去耦:在每个通道的电源输入端增加适当的去耦电容,以进一步减少电源线上的噪声和波动。如果可能,考虑使用完全隔离的电源模块为每个通道供电,以彻底消除通道间的相互影响。软件控制优化:在烧录器的固件或软件中增加对电源上电过程的控制逻辑,确保各通道的上电顺序和时序不会相互干扰。实时监控电源VDD的电压波动,并在检测到异常时采取相应的保护措施(暂停烧录、重启通道等)。
![1721792111267639.png image.png](http://uphotos.eepw.com.cn/1676336893/pics/1721792111267639.png)
VDD_OUTx上电时产生的浪涌电流是导致VDD电压跌落的主要原因。当VDD_OUTx的电压从0V迅速上升到2V时,由于去耦电容4.7μF的存在,根据电容充电公式I = C × dU/dt,可以估算出在这段时间内产生了高达3A的浪涌电流。这种瞬时的电流冲击不仅会对输入电源VDD造成压降,还可能对与VDD相连的其他电路(如其他烧录通道)产生不利影响,导致烧录失败。引入软启动电路(如C1和R4所示)后,通过控制Q1的导通速度,有效地限制了浪涌电流的产生。当Q2集电极变低时,C1通过R4缓慢放电,导致Q1栅极电压逐渐下降,进而使Q1缓慢导通。这种缓慢的导通过程延长了VDD_OUTx的上升时间(从3μs延长至400μs),从而避免了瞬时的电压突变和电流冲击。软启动电路的加入不仅解决了VDD的跌落问题,还显著提高了编程器烧录的稳定性。这是因为缓慢的电压上升过程给了系统足够的时间来稳定和调整,减少了因电压突变而导致的错误和故障。这个案例再次强调了软启动电路在电源设计中的重要性。通过合理的电路设计和优化,我们可以有效地解决电源上电过程中的各种问题,提高整个系统的可靠性和稳定性。同时,这也提醒我们在工作中要关注每一个细节,因为有时候一个小小的改动就能带来意想不到的效果。