今天這篇文章給大家分析一個上電啟動波形有臺階的問題。

整篇文章的框架：

1.問題背景和初步判斷

2.理論上電波形分析

3.詳細分析上電波形的5個臺階

4.上電測試需注意的3點

5.總結

1.問題背景和初步判斷

上午在群里有朋友提出一個問題，LDO上電啟動波形存在臺階。

針對這個問題，大家在群里進行了討論。我也發表了對這個問題如何排查的思路。

下面這張圖片都是我跟他的對話，基本上他說“是的，在做快速上下電測試發現的” 這個問題就差不多能解決。電路出現臺階的本質原因是前級電源的輸出能力不夠導致的。

為什么我會給出

你出現臺階的時候，是不是兩次上電間隔時間久？這一次沒有臺階，是不是掉電了立馬又上電測到的？

這樣的疑問？

下面我們來詳細分析一下。

2.理論上電波形分析

根據上面的信息，可以畫出上電測試時的模型如下圖所示：

5V和3.3V之間使用的是LDO。根據原理圖可以看出，這個LDO沒有使能管腳，也就是只要5V電壓上電，3.3V會跟隨著5V電壓上升，從波形上看，幾乎是在同一時刻，兩個電壓同時增加。

假設這里的5V電壓一直有電，且電壓足夠的穩定，那么3.3V在上電的時候，也會非常的平穩，不會出現臺階。大概如下所示：

3.3V上電的波形之所以會非常的迅速，主要是因為這里是LDO供電，LDO內部是靠MOS管或者晶體管來形成壓降，后級輸出電壓的波形，幾乎是在前級電壓的基礎上，減去壓降就是后級的輸出。因此，如果5V電源非常的穩定，那么只要上電，3.3V的電壓就會迅速上電，直到站穩3.3V。

結合這個電路，由于12V轉5V，5V轉3.3V是串聯的關系。因此，在上電測試時，5V電壓并不是提前就穩定可靠。那么整個系統上電后，5V電壓自身也是一個緩慢變化的過程，因此，在不考慮臺階的情況下，完美的上電波形應該如下：

5V和3.3V之間基本保持一樣的形態，一直往上升。

那為什么實際出現問題的波形和理論波形存在這么大的區別呢？

3.詳細分析上電波形的5個臺階

此時分析這個電路，就要結合實際的電路來分析。要將LDO前級和后級的電容和負載也考慮再內。

第一段上升

上電啟動后，5V電壓上升，3.3V電壓上升，此時I1和I3都在增加，因此可以得到上電波形的第一段，邏輯符合。此時I1的能力，除了能給電容充電，還能給后級的3.3V供電。

第二段臺階

根據串聯關系，3.3V跟隨5V電壓迅速上升，當上升到2V的時候，此時后級電路帶的負載開始消耗3.3V的能量，因此I4此時會增加，導致I2會增加。

由于I1和I2同時來源于前級的Buck電路，此時I2變大，I0的能量只能供給I3和I4，而且還需要一點電容的能量來補充，因次沒有足夠的能量給5V電容充電，且還存在一點點消耗，因此就會形成略為下降的臺階。

同理，對于3.3V的后級輸出，因為沒有足夠的能量給電容充電，那么3.3V的電壓不會一直上升。注意，此時的時間一直在往前走，只不過沒有電流流向電容，但整個電路還是在吸收前級的能量，處于緩慢建立的過程。

第三段上升

經過了短暫的平臺，前級Buck的能量及時對5V電源進行了補充，因此在第三段，主要是I0起到了作用，迅速對后級的電路進行能量的補充，此時5V電源的電容和3.3V電源的電容都得到了額外的能量，因此電壓會繼續緩慢上升。

第四段臺階

隨著后級3.3V電壓的進一步上升，后級開始工作的負載越來越多，I4需要的能量也會越來越大。因此，又會導致前級的I0無法供應5V的電容，導致此時平臺的再次出現，串聯關系存在，那么3.3V也會出現平臺。

第五段上升

經過了大約15ms，由于前級Buck的能量一直在往后級輸送，而此時由于后級的負載變化很小，Buck的能量除了可以滿足后級的負載之外，還能對5V電容進行充電，因此前級電壓繼續上升。但是3.3V早已經經歷了前面電壓的上升，達到了平衡狀態，因此不會再繼續有臺階，也不會再上升，穩定在3.3V。

4.上電測試需注意的3點

上面即是對上述電源電壓上升存在臺階的波形分析。針對上述問題，其實在分析這類上電啟動案例的時候，有幾點需要注意。

注意點1：理論拓撲和實際電路的模型差異

理論電源拓撲是這樣

但實際電路中，要考慮在上電啟動時對電容的充電時間。

注意點2：不同的上電方式

正常做上電測試時，使用直流穩壓電源都存在兩個按鍵，一個是設備上電開關，一個是輸出電壓使能。在上電測試時，一般會先打開電源設備開關，接好后級的電路，然后按輸出電壓使能開關，觀察上電波形。

不知道大家是不是這樣做上電測試？這樣的方法，有什么問題存在嗎？

我相信還有的人在做上電測試時，可能是下面這樣做：

先把直流電源插在排插上，打開直流電源設備開關，再打開直流穩壓電壓的使能開關，接好后級的負載。一切準備就緒后，按排插上面的開關，進行上電啟動測試。

問題來了，上面這兩種測試方法都正確嗎？或者你平時用的是哪一種？

回想一下，再往下看

在做上電測試，大部分應該都是這樣測試，而且也確實能夠完成上電測試驗證，但這樣測試還是存在弊端。比如今天在群里遇到上電臺階的波形，就能很好證明這種測試存在的弊端。為什么這樣說？

我們再仔細看看上面的幾種測試方案，其實忽略了電路在上電啟動瞬間的微觀變化。正確的上電啟動模型，應該是下面這樣：

拆開看過直流穩壓電源就知道，在直流穩壓電源的內部，也是開關電源，而且在輸出端會并聯幾個非常大的電解電容，量級一般都在1000uF，2200uF級別。此時如果我們使用上面兩種方法做上電測試，開關電源內部的大電解電容也是需要較長的時間來保證輸出電壓的穩定。

因此在按下輸出電壓使能的一瞬間，直流穩壓電源既要給內部的大電解電容供電，還要給后級的負載供電，所有的電路都在這個過程建立電壓，所以就存在電流分配不均，導致出現跌落，臺階等原因。各級之間也是存在較大的耦合。

推薦下面的方式做上電測試。在直流穩壓電源和被測電路中間，串上一個開關。先將穩壓電源上電，使用萬用表測試穩壓電源存在穩定的12V電壓，然后再閉合開關。這樣就能保證在上電的過程中，前級的12V電壓一直是處于非常穩定的狀態。避免了上電過程中，直流穩壓電源自身也處于電壓建立的過程。

注意點3：使用EN管腳來調控上電時序

如果沒有EN管腳，則前級上電后，后級會同時上電，大概率會存在前后級負載同時需要能量而拉低前級的電壓，因此在很多上電測試過程中會出現電壓跌落的波形。

如下圖所示，當VDD的電壓上升的時候，導致前級出現小幅的跌落。

根據以上的分析，再結合我在群里問了一句:

出現臺階的時候，是不是兩次上電間隔時間久？這一次沒有臺階，是不是掉電了立馬又上電測到的？

間隔較短的時間上電，在上一次做完上電測試后斷電，電路中電容儲存的能量開始放電，如果此時立馬開始第二次上電，由于電容電量還沒放完存在一些能量，上電后，前級就開始提供能量，此時后級的負載相對來說不會對前級造成較大的波動，因此就沒有臺階出現。測試到的波形也剛好吻合。

而間隔較長的時間上電，電容的電都放完了，此時再上電，就會存在電容能量從0開始積累，且前級能量也不夠充足，且同時后級的負載還在消耗能量。三種因素耦合在一起，就會出現異常臺階的問題。

為了證明這一點，我在群里又問了一個問題：

你間隔的時間不一樣，這里的臺階數還不一樣

正是因為兩次上電的時間間隔不同，電容放電時間不一樣，殘存的能量不一樣，所以在下次再上電時，就存在偶然性。可能電容保留的能量剛好夠，就沒有臺階，可能保存的能量不夠，臺階的數量就不確定到底有多少個。于是就出現了類似的現象。

5.總結

總結一下：在做上電測試時，我們需要盡可能保證前級提供的電源的穩定，這樣可以消除各級之間的耦合因素。同時，如果在上電啟動瞬間，由于大電容比較多，就會需要更多的能量來對電容充電，前級能量是否足夠穩定，決定了充電建立過程的時間長短和穩定性。為了避免上電出現跌落、臺階等問題的出現，可以有效使用EN管腳來錯峰上電，從而提高系統在上電瞬間后級電壓的穩定性，降低了各級的耦合。