淺析計算機電源

　　同步降壓型開關電源具有輸出電流大、效率高的優點，適用于電池供電的筆記本電腦等產品。通常筆記本電腦的各個組件，如CPU、芯片組、繪圖芯片、內存、硬盤、光驅等，對電源輸出電壓/電流的需求不同。因此筆記本電腦內部有許多降壓型直流電源轉換器，以產生不同的輸出電壓/電流滿足不同組件的電源需求。

　　大部分的同步降壓轉換器在關機時會產生振蕩，產生的負壓經常會造成一些元器件損壞。本文主要探討產生負電壓的原因以及相應的防范措施。

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、電容形成串聯振蕩電路、在輸出端產生負電壓，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，整個等效電路變為簡單的RC放電，其輸出電壓方程式為

(4)MAX1999在關機時連續監測輸出電壓，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，保證系統安全可靠。

結語

　　傳統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，并可節省系統成本，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，在輸出并聯肖特基二板管關機時波形

圖4 MAX1999的關機波形