电源开关输入电压尖峰的减少

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。

在更恶劣的工作条件下，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所示为功率开关的典型应用电路。有两个电容器用于输入 (Cin) 和输出 (Cout)。标志引脚是开漏输出，需要一个电阻（R1）来拉高电阻。当 EN 引脚使能时，电源开关将电源从输入引脚传输到输出引脚。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

在稳态正常工作中，电源开关将一定的电流从输入电源传送到输出引脚，并且VIN引脚上的电压几乎等于输入电源。然而，当电源开关突然关断时，会在VIN引脚处感应出尖峰电压。尖峰电压可表示如下。

其中L是电源和功率开关输入引脚之间输入线的寄生电感，di/dt是输入电流的变化率。
如果尖峰电压电平超过芯片的绝对最大额定输入电压，可能会损坏芯片。

例3-1图2为RT9711

电源开关在较恶劣条件下的测试结果，输入电压设置为最大电压6.5V，输入线长为35cm。

图 2. RT9711电源开关在更恶劣的条件下工作：

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 水平（本例中约为 2A），并降低输出电压，从而导致芯片温度升高。一旦芯片温度达到一定的过温保护（OTP）水平，芯片就会关闭电源开关。因此，导线中电流的变化将在输入引脚处感应出尖峰电压（Vin_spike）。测试结果显示最大电压为8.8V，超过了芯片的绝对最大额定值（6.5V）。尖峰电压可能会损坏芯片。

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. 缩短输入电源与电源开关输入引脚之间的连线长度。

4-2. 降低工作输入电压电平。

4-3. 增大输入电容的容量。

在例3-1中，如果输入电压从6.5V变为5.5V，输入线长度从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。在输入引脚处放置一个较大的输入电容（例如：33uF 或更大）也是一个不错的解决方案。

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，仔细的 PCB 布局是必要的。必须考虑以下准则。
l 输入电容尽量靠近芯片VIN引脚和GND引脚。
l 在电路下方放置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 输出电容尽量靠近连接器，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 节中的解决方案进行控制。必须注意工作条件，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、输入电容器和 PCB 布局。