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无风扇工控机 电源软启动系统电路设计剖析 —电路图天天读(228)

blog 2021-01-14 4 0

  软启动,相信硬件工程师都不会对这个名词感到陌生。随意打开一篇开关电源芯片的datasheet,都能看到对soft-start(软启动)的描述。随着芯片集成度的提高,软启动电路也集成到了电源芯片内部,这样在减轻工程师工作的同时,也导致部分工程师对软启动了解不够、重视不足。那么软启动电路有什么作用呢?电源电路中通常会存在大容量电容,给电容加上电压瞬间需要很大的浪涌电流,很可能造成输入电源的降低。软启动电路就是用于电源启动时,减小浪涌电流,使输出电压缓慢上升,减小对输入电源的影响。嵌入式工控机,让我们一起来看看,在电源设计里面,加入了软启动的电路,是如何保障烧录器稳定烧录的。

  P800是周立功致远电子推出的4通道、多功能的在线编程器。每通道都可以输出相互独立、在1.25V~7V范围内可调的电源。在烧录器内部,每通道的电源都采用同一路电源VDD,并通过下图所示的开关电路,使各通道电源相互独立。

  对上图电路简单分析:当控制信号EN_VDDx为高电平时,Q2饱和导通,Q1栅极拉低,Q1迅速导通,电源VDD输出到相应通道的 VDD_OUT并供给待烧录目标板。这个看似简单的电路,却在进行多通道异步在线烧录测试时出了非常不稳定的现象,到底是怎么回事呢?我们用P800对4 个ARM核心板进行异步烧录测试过程中,发现当其中一个通道插入并上电初始化时,其他通道会出现烧录失败的现象。由于4个通道的信号线相互独立,只有电源 VDD是共用的,因此我们猜测可能是ARM板上电初始化对VDD产生了干扰并影响到了其他通道。为了验证这一猜想,我们用示波器ZDS2022来观察在 VDD_OUTx上电过程中VDD的变化,并捕获到了下面的波形图。

  从波形图可以看到,在VDD_OUTx上升过程中,VDD从3.12V瞬间跌落至2.14V,再缓慢回升至3.12V,最大跌落幅度达 980mV.由于另外3个通道的电源也由VDD提供,因此这3个通道在线烧写失败也就在所难免。VDD_OUTx的上电为什么会造成VDD跌落呢?观察波形图我们还可以发现,VDD_OUTx从0V上升到2V只用了3s,根据电容充电公式:I=C×dU / dt,VDD_OUTx的去耦电容4.7F,据此估算出浪涌电流达3A!正如前面所述,过大的浪涌电流最终造成了输入电源的降低。为了限制浪涌电流,可以将软启动引入开关电路中,利用Q1的导通阻抗RDS(on)随VGS变化的特性,通过延缓Q1导通的速度,使VDD_OUTx缓慢上升到VDD.引入的软启动电路如下图的C1、R4所示。

  当Q2集电极变低时,C1通过R4放电,Q1栅极电压随之缓慢下降,从而控制Q1缓慢导通,使VDD_OUTx不会发生突变。用示波器ZDS2022观察VDD_OUTx上电过程中VDD的变化,得到如下波形。

  和加入软启动之前的波形图对比可以看到,VDD_OUTx的上升时间延长到了400s,VDD的跌落问题也得到明显改善。经过长时间反复测试,都没有再出现烧录失败现象。就是这样一个不起眼的软启动电路,却大大提升了编程器烧录的稳定性。生活中的一些小细节总能给人带来意想不到的惊喜,工作也是如此。

  编辑点评:本文主要介绍了软启动电路设计,具体作用就是用于电源启动时,减小浪涌电流,使输出电压缓慢上升,无风扇工控机,减小对输入电源的影响。请看软启动是如何帮助烧录器,提高烧录的稳定性和可靠性的。

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