LDO上电启动波形存在台阶怎么解决

今天这篇文章给大家分析一个上电启动波形有台阶的问题。

整篇文章的框架：

1.问题背景和初步判断

2.理论上电波形分析

3.详细分析上电波形的5个台阶

4.上电测试需注意的3点

5.总结

1.问题背景和初步判断

上午在群里有朋友提出一个问题，LDO上电启动波形存在台阶。

针对这个问题，大家在群里进行了讨论。我也发表了对这个问题如何排查的思路。

下面这张图片都是我跟他的对话，基本上他说“是的，在做快速上下电测试发现的” 这个问题就差不多能解决。电路出现台阶的本质原因是前级电源的输出能力不够导致的。

为什么我会给出

你出现台阶的时候，是不是两次上电间隔时间久？这一次没有台阶，是不是掉电了立马又上电测到的？

这样的疑问？

下面我们来详细分析一下。

2.理论上电波形分析

根据上面的信息，可以画出上电测试时的模型如下图所示：

5V和3.3V之间使用的是LDO。根据原理图可以看出，这个LDO没有使能管脚，也就是只要5V电压上电，3.3V会跟随着5V电压上升，从波形上看，几乎是在同一时刻，两个电压同时增加。

假设这里的5V电压一直有电，且电压足够的稳定，那么3.3V在上电的时候，也会非常的平稳，不会出现台阶。大概如下所示：

3.3V上电的波形之所以会非常的迅速，主要是因为这里是LDO供电，LDO内部是靠MOS管或者晶体管来形成压降，后级输出电压的波形，几乎是在前级电压的基础上，减去压降就是后级的输出。因此，如果5V电源非常的稳定，那么只要上电，3.3V的电压就会迅速上电，直到站稳3.3V。

结合这个电路，由于12V转5V，5V转3.3V是串联的关系。因此，在上电测试时，5V电压并不是提前就稳定可靠。那么整个系统上电后，5V电压自身也是一个缓慢变化的过程，因此，在不考虑台阶的情况下，完美的上电波形应该如下：

5V和3.3V之间基本保持一样的形态，一直往上升。

那为什么实际出现问题的波形和理论波形存在这么大的区别呢？

3.详细分析上电波形的5个台阶

此时分析这个电路，就要结合实际的电路来分析。要将LDO前级和后级的电容和负载也考虑再内。

第一段上升

上电启动后，5V电压上升，3.3V电压上升，此时I1和I3都在增加，因此可以得到上电波形的第一段，逻辑符合。此时I1的能力，除了能给电容充电，还能给后级的3.3V供电。

第二段台阶

根据串联关系，3.3V跟随5V电压迅速上升，当上升到2V的时候，此时后级电路带的负载开始消耗3.3V的能量，因此I4此时会增加，导致I2会增加。

由于I1和I2同时来源于前级的Buck电路，此时I2变大，I0的能量只能供给I3和I4，而且还需要一点电容的能量来补充，因次没有足够的能量给5V电容充电，且还存在一点点消耗，因此就会形成略为下降的台阶。

同理，对于3.3V的后级输出，因为没有足够的能量给电容充电，那么3.3V的电压不会一直上升。注意，此时的时间一直在往前走，只不过没有电流流向电容，但整个电路还是在吸收前级的能量，处于缓慢建立的过程。

第三段上升

经过了短暂的平台，前级Buck的能量及时对5V电源进行了补充，因此在第三段，主要是I0起到了作用，迅速对后级的电路进行能量的补充，此时5V电源的电容和3.3V电源的电容都得到了额外的能量，因此电压会继续缓慢上升。

第四段台阶

随着后级3.3V电压的进一步上升，后级开始工作的负载越来越多，I4需要的能量也会越来越大。因此，又会导致前级的I0无法供应5V的电容，导致此时平台的再次出现，串联关系存在，那么3.3V也会出现平台。

第五段上升

经过了大约15ms，由于前级Buck的能量一直在往后级输送，而此时由于后级的负载变化很小，Buck的能量除了可以满足后级的负载之外，还能对5V电容进行充电，因此前级电压继续上升。但是3.3V早已经经历了前面电压的上升，达到了平衡状态，因此不会再继续有台阶，也不会再上升，稳定在3.3V。

4.上电测试需注意的3点

上面即是对上述电源电压上升存在台阶的波形分析。针对上述问题，其实在分析这类上电启动案例的时候，有几点需要注意。

注意点1：理论拓扑和实际电路的模型差异

理论电源拓扑是这样

但实际电路中，要考虑在上电启动时对电容的充电时间。

注意点2：不同的上电方式

正常做上电测试时，使用直流稳压电源都存在两个按键，一个是设备上电开关，一个是输出电压使能。在上电测试时，一般会先打开电源设备开关，接好后级的电路，然后按输出电压使能开关，观察上电波形。

不知道大家是不是这样做上电测试？这样的方法，有什么问题存在吗？

我相信还有的人在做上电测试时，可能是下面这样做：

先把直流电源插在排插上，打开直流电源设备开关，再打开直流稳压电压的使能开关，接好后级的负载。一切准备就绪后，按排插上面的开关，进行上电启动测试。

问题来了，上面这两种测试方法都正确吗？或者你平时用的是哪一种？

回想一下，再往下看

在做上电测试，大部分应该都是这样测试，而且也确实能够完成上电测试验证，但这样测试还是存在弊端。比如今天在群里遇到上电台阶的波形，就能很好证明这种测试存在的弊端。为什么这样说？

我们再仔细看看上面的几种测试方案，其实忽略了电路在上电启动瞬间的微观变化。正确的上电启动模型，应该是下面这样：

拆开看过直流稳压电源就知道，在直流稳压电源的内部，也是开关电源，而且在输出端会并联几个非常大的电解电容，量级一般都在1000uF，2200uF级别。此时如果我们使用上面两种方法做上电测试，开关电源内部的大电解电容也是需要较长的时间来保证输出电压的稳定。

因此在按下输出电压使能的一瞬间，直流稳压电源既要给内部的大电解电容供电，还要给后级的负载供电，所有的电路都在这个过程建立电压，所以就存在电流分配不均，导致出现跌落，台阶等原因。各级之间也是存在较大的耦合。

推荐下面的方式做上电测试。在直流稳压电源和被测电路中间，串上一个开关。先将稳压电源上电，使用万用表测试稳压电源存在稳定的12V电压，然后再闭合开关。这样就能保证在上电的过程中，前级的12V电压一直是处于非常稳定的状态。避免了上电过程中，直流稳压电源自身也处于电压建立的过程。

注意点3：使用EN管脚来调控上电时序

如果没有EN管脚，则前级上电后，后级会同时上电，大概率会存在前后级负载同时需要能量而拉低前级的电压，因此在很多上电测试过程中会出现电压跌落的波形。

如下图所示，当VDD的电压上升的时候，导致前级出现小幅的跌落。

根据以上的分析，再结合我在群里问了一句:

出现台阶的时候，是不是两次上电间隔时间久？这一次没有台阶，是不是掉电了立马又上电测到的？

间隔较短的时间上电，在上一次做完上电测试后断电，电路中电容储存的能量开始放电，如果此时立马开始第二次上电，由于电容电量还没放完存在一些能量，上电后，前级就开始提供能量，此时后级的负载相对来说不会对前级造成较大的波动，因此就没有台阶出现。测试到的波形也刚好吻合。

而间隔较长的时间上电，电容的电都放完了，此时再上电，就会存在电容能量从0开始积累，且前级能量也不够充足，且同时后级的负载还在消耗能量。三种因素耦合在一起，就会出现异常台阶的问题。

为了证明这一点，我在群里又问了一个问题：

你间隔的时间不一样，这里的台阶数还不一样

正是因为两次上电的时间间隔不同，电容放电时间不一样，残存的能量不一样，所以在下次再上电时，就存在偶然性。可能电容保留的能量刚好够，就没有台阶，可能保存的能量不够，台阶的数量就不确定到底有多少个。于是就出现了类似的现象。

5.总结

总结一下：在做上电测试时，我们需要尽可能保证前级提供的电源的稳定，这样可以消除各级之间的耦合因素。同时，如果在上电启动瞬间，由于大电容比较多，就会需要更多的能量来对电容充电，前级能量是否足够稳定，决定了充电建立过程的时间长短和稳定性。为了避免上电出现跌落、台阶等问题的出现，可以有效使用EN管脚来错峰上电，从而提高系统在上电瞬间后级电压的稳定性，降低了各级的耦合。

审核编辑：彭静