筆記本電腦供電問題的探討與措施

問題描述及理論分析
圖1為同步降壓型電源轉換器的基本電路，電源轉換器關機時，會將Q1關閉、Q2導通。這樣，電感與Q2的連接點接地，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)生負電壓，可能會超出負載的電壓允許范圍。
無負載的情形
假設同步降壓型電源轉換器輸出電壓為5V，且無負載。關機時，圖1的低端 MOSFET Q2導通，構成有阻尼的LC串聯(lián)振蕩電路，Rs為整個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，當電感或電容較大時，其振蕩頻率f較小、負電壓的振幅較小。因此若要減少負電壓，可增加電感值或電容值。理論計算時，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，實際輸出負電壓的振幅會小一些。
圖3是在筆記本電腦電源設計中應用較為普遍的雙輸出、同步降壓電源轉換器MAX1631關機時(無負載、輸出電壓為5V)的輸出波形，其負電壓為-1.26V。
有負載的情形
假設Vc=5V，負載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載造成的阻尼效果還大，即越大的Rs對減小負電壓的振幅越有幫助。
減少負電壓的方法
1)在輸出端并聯(lián)一個肖特基二極管以減小負電壓的振幅。
圖3為在MAX1631輸出端并聯(lián)肖特基二極管，實際測量關機時的輸出波形，從波形圖可以看出肖特基二極管可有效減少負電壓的振幅。
2)關機時增加阻尼電阻Rs。
關機時低端MOSFET通過一個幾歐姆的電阻接地，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，而使其輸出波形簡化為RC放電，有效避免負電壓的產(chǎn)生。
3)MAX1999電源轉換器。
MAX1999為Maxim公司最新推出的雙輸出同步降壓轉換器，它在關機時將高端及低端MOSFET關閉，并在輸出端通過12Ω電阻接地，整個等效電路變?yōu)楹唵蔚腞C放電，其輸出電壓方程式為
(4)
MAX1999在關機時連續(xù)監(jiān)測輸出電壓，直到輸出電壓低至0.3V時，才將低端MOSFET導通，比傳統(tǒng)關機方式配合肖特基二極管抑制負電壓的效果還好，并可節(jié)省肖特基二極管的成本，是相當理想的解決方案。
以下是MAX1999關機時波形分析，假設L=7.6mH、C=330mF、 Rs=12Ω、而Vc(t)=0.3V，則輸出電壓從5V降至0.3V所需時間為：

圖4為實測波形，它從5V降至0.3V的時間為11.6ms，與理論計算相當吻合，同時其負電壓振幅僅為160mV，保證系統(tǒng)安全可靠。

結語
傳統(tǒng)的同步降壓電源轉換器在關機時所造成的負電壓可能造成系統(tǒng)中元器件的損壞，本文討論的幾種方案可有效減小負電壓的振幅，特別是利用MAX1999可以達到優(yōu)于使用肖特基二極管的效果，根本上避免了負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，是相當理想的設計方案。■


圖1 同步降壓型電源轉換器的應用電路

圖2 MAX1631在L=8.2mH, C=150mF，Vc=5V的關機波形
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)肖特基二板管關機時波形

圖4 MAX1999的關機波形