硬件电路设计之——DC-DC上电时电压输出尖峰电压

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#芯片 #单片机

在硬件电路设计中，使用XL1509-5.0E时遇到上电瞬间8V尖峰电压问题，导致USB过流短路保护芯片受损。经过分析发现，电容并联过大导致反馈电流减小，从而使电源芯片误判并提升输出电压。解决方案是加入10Ω NTC限制上电电流，成功抑制电压尖峰。

硬件电路设计之——DC-DC上电时电压输出尖峰电压

发现问题

在使用XL1509-5.0E时发现，当电源在上电瞬间会出现一个上升到 8V的尖峰电压。使用的STC单片机好像能抗住这个电压，并且不损坏。但是使用的USB过流短路保护芯片的芯片就扛不住了，上电几次 之后就回出现保护芯片电压输出脚和地线之间出现极低的阻值，大概在10Ω左右，同时，芯片会高度发烫（为什么是高度发烫，因为我在摸芯片温度的那一瞬间，我的手被烫了一个泡。就那么一瞬间）。
百思不得其解呀，电源芯片发展的这么多年了，按道理来说不应该会有这个现象啊，各种查找问题。最后发现一个规律，当电源芯片输出的5V上并联电容越大，输出的电压尖峰越嚣张。按道理来说输出的5V上并联的电容越大，上电时需要给电容充电，上升不应该更慢吗？应该是可以把尖峰电压稳稳的摁下来的么？出鬼了还???上电瞬间的电压尖峰现象，大概就是这样的
最后在网上找到大佬的分析，感觉很有道理。大致是：在电源芯片内部，不管是DC-DC芯片，还是LDO芯片，都是通过电阻分压来获取反馈。当输出上面的电容并联的容值太大，由于电容上电瞬间需要充电，相当于对地短路，大部分电流会流向电容内部，从而导致流到反馈端的电流变小。而反馈端电流变小，便会导致反馈的电压偏低。然后电源芯片一看反馈回来的电压才这么一点，显然和设定的反馈电压不一样呀，肯定得把电压拼命的抬起来！当反馈的电压抬起来之后，输出的电压已经不知道跑到多少电压去了。
电容充电满了之后，反馈上面的电流也正常了，电压也就回到正常状态了。这样上电瞬间的尖峰就出现了。
附上大佬分析的原网址：
LDO输出电压尖峰分析

原因找到了，那么就只

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【DCDC电源电路不满足最小导通时间要求导致输出纹波过大问题】
xianghbo的博客
11-10 6432
DCDC电源电路设计的时候需要考虑电源IC的最小导通时间（Minimum on time或者称为消隐时间），而且要保证需要的导通时间大于Minimum on time的最大值，如果芯片中没有体现最大值要求，需要找厂家确认清楚。否则电源输出会有问题。
DC-DC电源芯片输出的电压有下尖峰，原因分析和处理办法
最新发布
11-04
<think>嗯，用户这次的问题是关于DC-DC电源芯片输出电压出现下尖峰的原因分析和处理办法。用户引用了两篇关于电源尖峰问题的讨论，看来确实遇到了棘手的电路设计问题。 从用户提供的引用内容来看，ta应该是个硬件工程师或者电子爱好者，正在调试电源电路。第一个引用提到上电尖峰问题，第二个引用讨论SW引脚RC吸收电路设计。用户现在关注的是输出电压的下尖峰现象，这和之前讨论的上冲尖峰恰好相反。 让我仔细梳理可能的下尖峰成因。首先是负载阶跃问题，当负载电流突然增大时，电源响应不及时就会产生电压跌落。其次是输入电压突变，比如电池供电时电机启动造成的电压骤降。还有环路补偿不当会导致瞬态响应出现振荡，形成多次下冲。引用中提到的反馈网络异常也值得注意，反馈延迟可能导致芯片过补偿。 针对这些原因，处理方案需要分层次考虑。硬件上可以优化输出电容配置，采用多个电容并联组合来兼顾高频和低频响应。软件层面可能需要调整环路补偿参数，这在引用[2]的RC吸收电路案例中有所体现。对于负载突变问题，引用[1]提到的电容充电特性原理其实也适用——只不过现在是放电场景。 用户之前被烫伤的经历说明ta可能在调试高压大电流电路，要特别提醒安全事项。在建议中添加示波器探头接地警告很必要，毕竟下尖峰测量往往在开关节点附近进行。 考虑到用户的技术水平，解释原理时需要把专业术语转化成易懂的表述。比如解释相位裕度时，可以类比成"方向盘转向延迟"，这样更形象。但核心公式如输出电容阻抗$Z_C = 1/(2\pi f C)$还是要保留，这是设计计算的基础。 最后生成的相关问题要延续深度：既要有理论分析（如伯德图绘制），也要有实操建议（如RC参数计算），还要覆盖用户之前关注的EMI问题。这样能形成完整的电源故障排查知识链。 </think>### DC-DC电源芯片输出电压下尖峰的原因分析 下尖峰（电压跌落）主要发生在**负载瞬变**或**输入电压突变**时，其核心机制与**控制环路响应延迟**和**能量供给失衡**相关。以下是关键成因： #### 1. **负载阶跃响应延迟** - **现象**：负载电流$I_O$突增时，输出电容$C_O$需瞬时放电补偿电流缺口（$I_{\text{gap}} = I_O - I_{\text{sw}}$），导致电压跌落$V_{\text{dip}}$ - **计算公式**： $$ V_{\text{dip}} = \frac{I_{\text{gap}} \cdot t_{\text{resp}}}{C_O} + ESR \cdot I_{\text{gap}} $$ 其中$t_{\text{resp}}$为控制环路响应时间，$ESR$为输出电容等效串联电阻 - **本质**：电感电流$I_L$无法瞬变，控制环路调整滞后[^1] #### 2. **输入电压瞬变** - **输入电容$C_{\text{in}}$不足**：输入电压$V_{\text{in}}$骤降时，$C_{\text{in}}$无法维持芯片最小工作电压 - **占空比极限约束**：降压芯片需满足$D = \frac{V_O}{V_{\text{in}}} \leq D_{\text{max}}$，当$V_{\text{in}}$突降可能导致占空比饱和 #### 3. **环路补偿不良** - **相位裕度不足**（通常需>45°）：导致瞬态响应振荡，产生多次下冲 ![](https://via.placeholder.com/400x200?text=波特图示例：相位裕度过低) - **穿越频率$f_c$过高**：高频噪声放大，加剧电压波动 #### 4. **反馈网络异常** - **分压电阻布局不佳**：反馈走线受开关噪声干扰，引发误判 - **补偿电容取值错误**：如Type II补偿中$C_{\text{comp}}$过大导致响应迟钝 --- ### 下尖峰的处理办法 #### ✅ 硬件优化措施 | **方法** | **作用原理** | **设计要点** | |------------------------|----------------------------------------------------------------------------|-----------------------------------------| | **增大输出电容** | 提升储能能力，缓冲电流缺口 | 采用**低ESR陶瓷电容+电解电容并联** | | **优化输入电容** | 抑制输入电压扰动 | $C_{\text{in}}$容量需满足：$ \frac{\Delta V_{\text{in}}}{\Delta t} \leq \frac{I_{\text{peak}}}{C_{\text{in}}} $ | | **降低环路响应时间** | 加速负载调整 | 选择高带宽误差放大器，减小补偿电容$C_{\text{comp}}$ | | **添加前馈电容** | 在反馈电阻上并联小电容（2.2-10nF），提升高频响应 | 计算公式：$f_{\text{zero}} = \frac{1}{2\pi C_{\text{ff}} R_{\text{top}}}$ | #### ✅ 拓扑与器件改进 - **选用多相Buck控制器**：通过相位交错降低单相电流突变压力 - **增加预偏置启动电路**：避免从零电压启动时的过冲/下冲 - **优化电感选型**：饱和电流$I_{\text{sat}}$需满足：$I_{\text{sat}} > 1.5 \times I_{O(\text{max})}$ #### ✅ 软件辅助策略 ```c // PID环路参数调整示例（数字电源） void update_compensation() { Kp = 0.05; // 降低比例增益减少振荡 Ki = 0.001; // 提高积分增益加速稳态恢复 Kd = 0.01; // 微分增益抑制过冲 } ``` --- ### 典型故障排查流程 1. **示波器测量**： - 通道1：输出电压$V_O$（AC耦合，20MHz带宽限制） - 通道2：电感电流$I_L$（电流探头） - 触发条件：设定下降沿触发捕捉瞬态 2. **关键参数计算**： - 电压跌落深度：$\Delta V = V_{\text{nominal}} - V_{\text{dip\_min}} $ - 恢复时间：$t_{\text{rec}} = t_{90\%} - t_{10\%}$ 3. **环路稳定性验证**： - 注入频率扫描信号，绘制伯德图分析相位裕度[^2] > ⚠️ **安全提示**： > - 测量高压节点时使用差分探头 > - 避免示波器接地线形成环路（易烧毁芯片） ---
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