降低电源开关输入电压尖峰的解决方案

一、简介

该电源开关是一款低压、单 N 沟道 MOSFET 高侧电源开关，针对自供电和总线供电的通用串行总线 （USB） 应用进行了优化。

在更糟糕的工作条件下，输入电压尖峰可能会超过芯片的最大输入电压规格，从而损坏芯片。本应用笔记介绍了降低电源开关输入电压尖峰的解决方案。

2.电源开关应用电路

图 1 所示为电源开关的典型应用电路。输入 （Cin） 和输出 （Cout） 有两个电容。标志引脚为开漏输出，上拉电阻需要一个电阻（R1）。当 EN 引脚使能时，电源开关将电源从输入引脚传送到输出引脚。电源开关具有使能控制信号、标志信号、过流保护、短路保护和热关断保护。

图 1. 典型应用电路

3. 输入电压尖峰

在稳态正常工作时，电源开关从输入电源向输出引脚提供一定的电流，VIN 引脚上的电压几乎等于输入电源。但是，当电源开关突然关闭时，会在 VIN 引脚上产生尖峰电压。尖峰电压可以表示如下。

其中L为电源与电源开关输入引脚之间输入线的寄生电感，di/dt为输入电流的变化率。

如果尖峰电压电平超过芯片绝对最大额定输入电压，可能会损坏芯片。

示例 3-1

图 2 显示了RT9711电源开关在最差条件下工作的测试结果，输入电压设置为最大电压 6.5V，输入线长为 35cm。

图 2. RT9711电源开关在更坏的条件下工作：

Vin = 6.5V， Cin = 1μF， 输入线长35cm， （Vin_spike = 8.8V）

当输出电流超过最大额定电流时，电源开关将输出电流限制在 OCP 电平（在这种情况下约为 2A）并降低输出电压，从而使芯片温度升高。一旦芯片温度达到一定的过温保护（OTP）水平，芯片将关闭电源开关。因此，导线中电流的变化会在输入引脚上产生尖峰电压（Vin_spike）。测试结果表明最大电压为8.8V，超过了芯片的绝对最大额定值（6.5V）。芯片可能会被尖峰电压损坏。

4. 降低输入电压尖峰的解决方案

降低输入尖峰电压的三个建议如下所示。

4-1。缩短输入电源和电源开关输入引脚之间的导线长度。

4-2。降低工作输入电压电平。

4-3。增加输入电容的电容。

在示例 3-1 中，如果输入电压从 6.5V 变为 5.5V，输入线长从 35cm 变为 10cm，尖峰电压电平将大大降低。图 3 显示了尖峰电压 （6.48V） 低于绝对最大额定值 （6.5V） 的测试结果。

在大多数应用中，输入电压为 3.3V 或 5V 系统。电源开关应靠近输入电源放置，以缩短输入线长度。在输入引脚放置一个更大的输入电容（例如：33uF 或更大）也是一个很好的解决方案。

图 3. RT9711电源开关工作条件：

Vin = 5.5V， Cin = 1μF， 输入线长10cm， （Vin_spike = 6.48V）

5. 布局考虑

为了获得更好的性能，需要仔细的 PCB 布局。必须考虑以下准则。

l 输入电容尽量靠近芯片的VIN脚和GND脚。

l 在电路下方放置一个接地层以降低电阻和电感。

l 使所有电源走线尽可能短且宽。

l 将输出电容尽可能靠近连接器放置，以降低输出端口与电容之间的阻抗，提高瞬态负载性能。

六，结论

输入电压尖峰可以通过第 4 节中的解决方案来控制。需要注意工作条件，包括工作输入电压电平、电源和输入引脚之间的输入线长度、输入电容和 PCB 布局。