筆記本電腦供電問題的探討與措施
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同步降壓型開關(guān)電源具有輸出電流大、效率高的優(yōu)點(diǎn)，適用于電池供電的筆記本電腦等產(chǎn)品。通常筆記本電腦的各個(gè)組件，如CPU、芯片組、繪圖芯片、內(nèi)存、硬盤、光驅(qū)等，對(duì)電源輸出電壓/電流的需求不同。因此筆記本電腦內(nèi)部有許多降壓型直流電源轉(zhuǎn)換器，以產(chǎn)生不同的輸出電壓/電流滿足不同組件的電源需求。
大部分的同步降壓轉(zhuǎn)換器在關(guān)機(jī)時(shí)會(huì)產(chǎn)生振蕩，產(chǎn)生的負(fù)壓經(jīng)常會(huì)造成一些元器件損壞。本文主要探討產(chǎn)生負(fù)電壓的原因以及相應(yīng)的防范措施。
問題描述及理論分析
圖1為同步降壓型電源轉(zhuǎn)換器的基本電路，電源轉(zhuǎn)換器關(guān)機(jī)時(shí)，會(huì)將Q1關(guān)閉、Q2導(dǎo)通。這樣，電感與Q2的連接點(diǎn)接地，Vc為輸出電壓，因電感、電容形成串聯(lián)振蕩電路、在輸出端產(chǎn)生負(fù)電壓，可能會(huì)超出負(fù)載的電壓允許范圍。
無負(fù)載的情形
假設(shè)同步降壓型電源轉(zhuǎn)換器輸出電壓為5V，且無負(fù)載。關(guān)機(jī)時(shí)，圖1的低端 MOSFET Q2導(dǎo)通，構(gòu)成有阻尼的LC串聯(lián)振蕩電路，Rs為整個(gè)放電路徑電阻的總和：
Rs=Rsense+Rinductor+ESR+Rdson (1)
求得等效電路的二次微分方程式的近似解為：
(2)
由方程(2)可知，當(dāng)電感或電容較大時(shí)，其振蕩頻率f較小、負(fù)電壓的振幅較小。因此若要減少負(fù)電壓，可增加電感值或電容值。理論計(jì)算時(shí)，只考慮Rs所造成的阻尼損耗，并未考慮到電感電流過大造成電感飽合所增加的額外損耗，因此，實(shí)際輸出負(fù)電壓的振幅會(huì)小一些。
圖3是在筆記本電腦電源設(shè)計(jì)中應(yīng)用較為普遍的雙輸出、同步降壓電源轉(zhuǎn)換器MAX1631關(guān)機(jī)時(shí)(無負(fù)載、輸出電壓為5V)的輸出波形，其負(fù)電壓為-1.26V。
有負(fù)載的情形
假設(shè)Vc=5V，負(fù)載RL=1.67Ω。
求得等效電路的二次微分方程式的近似解為：
(3)
由方程式(3)可知，由放電路徑RS造成的阻尼效果比負(fù)載造成的阻尼效果還大，即越大的Rs對(duì)減小負(fù)電壓的振幅越有幫助。
減少負(fù)電壓的方法
1)在輸出端并聯(lián)一個(gè)肖特基二極管以減小負(fù)電壓的振幅。
圖3為在MAX1631輸出端并聯(lián)肖特基二極管，實(shí)際測(cè)量關(guān)機(jī)時(shí)的輸出波形，從波形圖可以看出肖特基二極管可有效減少負(fù)電壓的振幅。
2)關(guān)機(jī)時(shí)增加阻尼電阻Rs。
關(guān)機(jī)時(shí)低端MOSFET通過一個(gè)幾歐姆的電阻接地，以12W為例，Rs=Rsense+Rinductor+ESR+Rdson=12W。
由方程3可知，增加阻尼電阻，能避免電感電容振蕩，而使其輸出波形簡(jiǎn)化為RC放電，有效避免負(fù)電壓的產(chǎn)生。
3)MAX1999電源轉(zhuǎn)換器。
MAX1999為Maxim公司最新推出的雙輸出同步降壓轉(zhuǎn)換器，它在關(guān)機(jī)時(shí)將高端及低端MOSFET關(guān)閉，并在輸出端通過12Ω電阻接地，整個(gè)等效電路變?yōu)楹?jiǎn)單的RC放電，其輸出電壓方程式為
(4)
MAX1999在關(guān)機(jī)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)輸出電壓，直到輸出電壓低至0.3V時(shí)，才將低端MOSFET導(dǎo)通，比傳統(tǒng)關(guān)機(jī)方式配合肖特基二極管抑制負(fù)電壓的效果還好，并可節(jié)省肖特基二極管的成本，是相當(dāng)理想的解決方案。
以下是MAX1999關(guān)機(jī)時(shí)波形分析，假設(shè)L=7.6mH、C=330mF、 Rs=12Ω、而Vc(t)=0.3V，則輸出電壓從5V降至0.3V所需時(shí)間為：
圖4為實(shí)測(cè)波形，它從5V降至0.3V的時(shí)間為11.6ms，與理論計(jì)算相當(dāng)吻合，同時(shí)其負(fù)電壓振幅僅為160mV，保證系統(tǒng)安全可靠。
結(jié)語
傳統(tǒng)的同步降壓電源轉(zhuǎn)換器在關(guān)機(jī)時(shí)所造成的負(fù)電壓可能造成系統(tǒng)中元器件的損壞，本文討論的幾種方案可有效減小負(fù)電壓的振幅，特別是利用MAX1999可以達(dá)到優(yōu)于使用肖特基二極管的效果，根本上避免了負(fù)電壓造成元器件永久性損壞的可能性，并可節(jié)省系統(tǒng)成本，是相當(dāng)理想的設(shè)計(jì)方案。■
圖1 同步降壓型電源轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用電路
圖2 MAX1631在L=8.2mH, C=150mF，Vc=5V的關(guān)機(jī)波形
CH1 : MAX1631的5V輸出 CH2 : DL5(低端MOSFET柵極)
圖3 MAX1631在L=8.2mH, C=150mF，在輸出并聯(lián)肖特基二板管關(guān)機(jī)時(shí)波形
圖4 MAX1999的關(guān)機(jī)波形
評(píng)論