上电波形的台阶和回沟分析

一. 问题介绍

电源拓扑结构如图1所示，输入电压为DC24V，经过降压转换成12V和5V，分别给不同负载供电。其中24V由电源适配器提供，经过一些必要的滤波和防护电路，再通过BUCK转换成12V和5V。监测点分别取在各电源滤波电容后面。

图1 电源拓扑结构

单板测试中，监测各电源的上电波形，波形不太好看，如图2所示，存在台阶和回沟现象。

图2 各主要电源上电波形

是什么原因造成了电源台阶和回沟现象呢？

二. 波形解释

如图3所示，黄色线为电源适配器输出电流波形，紫色线为适配器输出电压波形，蓝色线为5V电压波形。

1. 第一阶段

适配器输出电压快速上升过程中，由于24V有个220uF的输出滤波电容，造成适配器瞬间输出电流过大，达到26A，触发适配器的短路保护或者过流保护，输出关闭，24V测试点电压回落，形成回沟波形。而此时后续负载还没有导通（即24V转5V和24V转12V降压电路未导通），因此电压回落后，开始维持不变，形成台阶波形。

为什么适配器关闭输出，电压会回落？

可能的原因，一是线路中存在电感器件和寄生电感，在电感的作用下，电流突变会形成反向电动势，造成电压过冲，二是电容的ESR影响，瞬间大电流造成电容两端电压过冲；查阅手册，电路中220uF铝电解电容的tanδ=0.12，假设f取1kHz的话，则ESR=tanδ/(2πfc)=0.12/(2*3.14*1000*0.00022)=0.087Ω，那么ESR造成的压降大致为V=ESR*I=0.087Ω*26A=2.26V，与测试电压回路的幅度比较一致。

图3 上电过程电流和电压波形

2. 第二阶段

适配器二次开启后，电压再次上升，瞬间输出电流仍触发适配器过流保护，再次形成台阶（有时也会形成回沟）。此时24V转5V和24V转12V的DC电路开始导通，5V电压开始缓慢上升。

图4 第二阶段

3. 第三阶段

适配器三次开启后，由于5V和12V的输出电容原因，造成瞬间输出电流飙升，再次触发过流保护，形成台阶。但由于前级24V的滤波电容可以提供电流，5V输出电压未出现波动，仍在缓慢上升。

图5 第三阶段

4. 第四阶段

适配器四次开启，24V电压继续上升，5V稳定输出。

图6 第四阶段

三．如何消除台阶和回沟

上述问题，归根结底是输入电源造成的。选用输出能力更强，过流保护阈值更大的适配器，能解决此问题。若使用稳压电源进行供电，过流保护值设为30A，测试结果如下图所示。黄色线为24V输入电压波形，紫色线为5V电压波形。从波形上看，除了5V开通后负载接通造成24V波形有小小波动，整体上，上电波形很平滑。

图7 采用稳压电源供电的上电波形

四．遗留问题

为什么第一次过流保护的时间与后两次过流保护时间相差很大。查阅适配器手册，适配器具备过流保护和短路保护功能。其中过流保护给出了阈值，短路保护未给出阈值。

图8 适配器过流保护阈值参数

不知道是否存在过流保护和短路保护差异，或者其他原因。请精通电源的朋友能够指点迷津。