DC-DC——上电冲击导致降压芯片启动失败

DC-DC芯片上电冲击问题解析与解决

原创已于 2025-09-09 10:55:51 修改 · 1k 阅读

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#单片机 #嵌入式硬件

于 2025-09-04 10:13:20 首次发布

一、遇到的问题

1、场景和问题

做了一个DCDC降压模块，理论上可实现9-200V的可调节降压。在使用30V小电源时正常使用，拿实验室0-300V电源试试大电压降压效果，结果接上去降压芯片没输出。

2、DCDC降压模块原理图

二、我的解决方案

在多次实验发现大电源接上时电流没有输出，而小电源接上时电流有0.03A的输出。其余电路和芯片管脚的电压输入输出依旧正常，在查询资料后发现可能是大电源在启动时瞬间产生的电流过大，电源或芯片启动了保护模式。

在电源和降压模块之间（vin上串联）串联一个功率电阻（100Ω），电源上有小电流通过，降压芯片正常工作，测到各个点位的电压。

三、问题根源分析

直接接通电源时，降压芯片不工作，但串联一个功率电阻后就能工作，这强烈指向了以下几个可能的原因，且它们通常共同作用：

1、巨大的上电冲击电流

在电源接通的瞬间，降压芯片的输入引脚和其最近的输入电容（通常是一个大容值的电解电容或钽电容）相当于短路。电容电压不能突变，VIN从0V开始上升的瞬间，会产生一个非常巨大的瞬时充电电流（ $I = C * dV/dt$ ）。这个电流可能高达数十安培，远远超过电源的额定输出能力（查询实验室电源的输出能力最大只要1A）。

PCB走线或连接器上会产生巨大压降：即使电源能提供短暂的大电流，PCB上狭窄的走线、过孔或连接器也会因为瞬间的大电流而产生显著的电压降（ $ΔV = I* R$ ）。这导致实际到达芯片VIN引脚的电压远低于电源输出端的电压，同样无法启动。

电源（或适配器）进入保护模式：大多数直流电源和电源适配器都有过流保护（OCP）功能。巨大的冲击电流会触发保护，导致电源输出电压瞬间被拉低（“啃地”），或者直接关闭输出。这就使得输入电压VIN无法建立起来，始终处于一个很低的值，自然无法满足芯片的启动电压（UVLO）要求。

2、电源芯片的欠压锁定（UVLO - Under Voltage Lock Out）

所有DC-DC芯片都有一个内置的UVLO保护电路。当检测到输入电压VIN低于某个阈值（例如 3.0V）时，芯片会保持关闭状态，不进行开关操作，以保护自身和后续电路。

正是由于上面的冲击电流将VIN拉低到了UVLO阈值之下，芯片始终处于“欠压锁定”状态，无法启动。

3、串联电阻为什么可以输出

串联的功率电阻在这里起到了一个简易的“浪涌电流限制器”的作用。它限制了给输入电容充电的最大电流（I_inrush ≈ V_supply / R_series），将冲击电流减小到电源可以轻松提供的范围内。避免了电源保护、避免了走线压降过大，使得VIN能够平稳地上升到UVLO阈值之上，芯片得以正常启动。一旦启动完成后，输入电容上的电压接近电源电压，流过限流电阻的电流会减小到正常工作电流（ $I_in ≈ P_out / (η * V_in)$ ）。

四、解决方案

1. 添加软启动电路（SS - Soft-Start）

查询资料发现，现代绝大多数DC-DC芯片都有一个软启动（Soft-Start）引脚（通常标记为SS）。通过在该引脚连接一个电容（C_ss）到地，可以控制芯片内部参考电压的上升斜率，从而让功率MOSFET的占空比缓慢增加，实现输出电压平缓上升。

效果：输出电压平缓上升，意味着输出电容的充电电流是受控、缓慢增大的。同时，由于输入电流与输出电流大致成比例（考虑占空比），输入端的冲击电流也被极大地抑制了。

查阅所用芯片的数据手册（Datasheet），找到SS引脚，并按照推荐值连接一个电容。典型值在1nF到100nF之间。

不过笔者所用的芯片没有该软启动的引脚，需要其他的方法来模拟软启动的功能。U3500C采用滞回电压控制模式（Hysteretic voltage-mode control），而非传统的固定频率PWM控制。这类控制器通常不提供专用的软启动引脚，其开启速度由内部比较器响应速度和外部反馈网络决定，因此天生对上电冲击电流比较敏感。

1.1、在反馈回路中添加软启动电容

这是为没有软启动引脚的DC-DC芯片添加软启动功能的标准方法。在反馈分压电阻（R1）上并联一个电容（C_ss），使FB引脚的电压不能瞬间建立，从而让输出电压缓慢上升，间接限制输入冲击电流。

找到连接在输出（VOUT）和FB引脚之间的上分压电阻R1。在R1的两端并联一个电容 C_ss。C_ss的容值通常在1nF到100nF之间。容值越大，启动速度越慢，对冲击电流的抑制效果越好（后续验证从10nF开始）。

优点：电路简单，成本极低，效果显著。

tip：此方法会影响控制环路的动态响应，容值不宜过大，否则会影响系统稳定性

1.2、在EN使能引脚添加延时电路

通过一个RC电路延缓EN引脚电压的上升时间，使芯片在输入电源稳定后再开始缓慢启动。在EN引脚（Pin 2）到地（GND）之间连接一个电容 C_en。为了给电容充电，需要在您的输入电压（VIN）和EN引脚之间串联一个电阻 R_en。典型值：R_en 可选10kΩ - 100kΩ，C_en 可选0.1µF - 1µF。

优点：可以独立控制启动延时，不影响反馈环路。

缺点：无法控制启动过程中的斜率（即启动过程的“速率”），只能控制开始启动的时刻。