Настройка мягкого старта понижающего источника питания Buck
21 августа 2025
Пусковой ток представляет собой кратковременный импульс повышенного тока, возникающий в момент включения источника питания или устройства. В блоках питания и электронных системах такой ток нежелателен, поскольку он может привести к перегрузке компонентов и их повреждению.
В понижающих импульсных источниках питания Buck для управления скоростью нарастания тока при запуске используется схема мягкого старта. Она постепенно передает энергию нагрузке и снижает влияние пускового тока на систему. Функция мягкого старта реализуется за счет настройки конденсатора мягкого старта. Это эффективно подавляет бросок тока, не позволяя току заряда выходного конденсатора при запуске превысить предел по току импульсного источника питания. Тем самым уменьшается токовый удар как по самому силовому каскаду, так и по подключенной нагрузке, а также минимизируются просадки входного напряжения. Кроме того, правильно заданное время мягкого старта обеспечивает плавный подъем выходного напряжения без колебаний.
Рассмотрим в качестве примера микросхему TPS54561DPRT. Ее внутренняя функциональная схема показана на рисунке 1. В TPS54561DPRT мягкий старт реализуется путем подключения внешнего конденсатора к выводу SS/TR.
Вольт-амперная зависимость конденсатора выражается формулой I = C * dV / dt. Следовательно, чем больше емкость, чем выше напряжение и чем короче время заряда, тем больше ток зарядки. Иначе говоря, при заданной емкости величина зарядного тока конденсатора пропорциональна скорости изменения напряжения.
Типовой Buck-преобразователь реализует настраиваемое время мягкого старта путем подключения внешнего конденсатора мягкого старта CSS к выводу SS. Внутренний источник подтягивающего тока заряда мягкого старта ISS заряжает конденсатор CSS, после чего сравнивает его напряжение с опорным напряжением VREF, чтобы определить завершение процесса мягкого старта. Согласно формуле заряда конденсатора I = C * ΔV / ΔT, время TSS, необходимое для заряда напряжения на конденсаторе мягкого старта от нуля до VREF, определяется как:
TSS_SET = CSS * VREF / ISS (уравнение 1)
Для схемы Buck-преобразователя, если предполагается, что заданное выходное напряжение равно VOUT, выходной конденсатор имеет емкость COUT, а ток, заряжающий выходной конденсатор при пуске, равен IINRUSH, то время TSS_OUT, необходимое для роста напряжения на выходном конденсаторе, то есть выходного напряжения, от нуля до заданного значения VOUT, можно определить по той же формуле заряда конденсатора:
TSS_OUT = COUT * VOUT / IINRUSH (уравнение 2)
Требование к запуску импульсного источника питания заключается в том, что напряжение на конденсаторе мягкого старта должно увеличиться от нуля до VREF в течение времени мягкого старта TSS_SET, а напряжение на выходном конденсаторе должно за тот же интервал времени подняться от нуля до заданного значения VOUT. Следовательно:
TSS_SET = TSS_OUT (уравнение 3)
Итоговая формула для расчета конденсатора мягкого старта имеет вид:
(уравнение 4)
При запуске импульсного преобразователя ток, заряжающий выходной конденсатор, принято называть пусковым током IINRUSH. Обычно он составляет от 5% до 10% от максимального тока нагрузки импульсного преобразователя IOUT,MAX. Если принять, что IINRUSH равен 5% от максимального выходного тока импульсного источника питания IOUT,MAX, то IINRUSH = 5% × IOUT,MAX. Подставляя IINRUSH = 5% × IOUT,MAX в уравнение 4, получаем следующее выражение для конденсатора мягкого старта CSS:
(уравнение 5)
Если снова взять микросхему TPS54561DPRT как пример, получаем следующие исходные данные расчета:
Требования: VOUT = 5.0 В, COUT = 3 * 47 мкФ = 141 мкФ, IOUT,MAX = 5.0 А
Параметры: ISS = 1.7 мкА, VREF = 0.8 В, IINRUSH = 5% * 5.0 А = 0.25 А
Результаты расчета:
Используется стандартный конденсатор номиналом, близким к 10 нФ. Именно поэтому на схеме ниже C13 = 0.01 мкФ.
Настройка конденсатора мягкого старта является ключевым этапом подавления пускового тока и обеспечения стабильности системы. Правильный выбор емкости конденсатора позволяет одновременно защитить компоненты и удовлетворить требованиям запуска в различных сценариях применения.