极端占空比工况下电流模式DC-DC的稳定性边界与输入电压裕量设计

‍ 摘要 ：基于国科安芯推出的ASP3605在4V→3.3V（占空比82.5%）场景下的异常启动案例，通过理论建模与两批次测试数据交叉验证，揭示了电流模式控制器在Min_ON时间与消隐时间双重约束下的次谐波振荡机制。研究证实，两批次测试共同指出的"输入电压需≥4.2V"是确保3.3V/5A输出的必要条件。该异常由占空比裕量不足、RUN引脚阈值温漂与电感饱和三重因素导致。本文精确计算了输入电压裕量（4.2V-3.3V=0.9V），并量化分析了线路阻抗、输出电容ESR对稳定边界的耦合影响，建立了适用于锂电池供电、POE终端等场景的鲁棒性设计准则。

1. 异常工况的现象复现与故障树分析

1.1 测试现象的系统级描述

早期测试在"摸底测试"与"纹波"章节两次记录4V→3.3V异常：

空载状态 ：输出电压2.9V（-12%偏差），未达到3.3V设定值

带载状态 ：出现"类似短路保护现象"，电流波形呈现周期伸长与脉冲跳周期

解除条件 ：将输入电压提升至4.2V后，系统恢复正常稳压

后续测试进一步确认："4V转3.3V档位无法正常启动，上一版也存在该问题，但是从5V启动，降低至4V可以正常输出"，表明该问题具有版本普遍性，非单板缺陷。

1.2 故障树构建与根因验证
顶层事件：输出电压无法建立

分支1（启动失败） ：RUN引脚阈值未满足

早期测试记录"RUN引脚未达到1.2V电压阈值，R9改为100kΩ"后解决

计算：RUN引脚内阻约200kΩ，上拉至Vin，当Vin=4V时，RUN=4V×R_pullup/(R_pullup+200kΩ)

R9=100kΩ时，RUN=4×100/(100+200)=1.33V>1.2V，满足启动

在-55°C时，RUN阈值可能下漂至1.15V，1.33V仍有余量

分支2（稳态失稳） ：次谐波振荡

占空比D=3.3/4=82.5%，接近芯片Min_ON时间极限

电流采样信号被开关噪声淹没，控制器误判过零

分支3（瞬态保护） ：电感饱和触发OCP

早期测试备注"有可能是电感饱"，保护点7A

后续测试明确"简封"导致效率低，电感峰值电流更高

2. 次谐波振荡的理论建模与临界条件验证

2.1 电流模式控制的离散时间模型
ASP3605采用固定频率谷值电流检测，稳定性条件为： D < 1 - m_c×(1 - 0.5×L×f_sw×ΔI/V_in)

其中：

m_c为斜坡补偿斜率（芯片内部固定）

ΔI为纹波电流峰值

Min_ON时间t_on_min约束：D_max = 1 - t_on_min×f_sw

行业典型t_on_min=100-150ns。假设t_on_min=120ns，f_sw=1MHz，则D_max=88%。82.5%占空比理论上有5.5%裕量，但考虑温度容差、电阻容差与电感容差，实际可用裕量仅2-3%，在满载时极易触发振荡。

2.2 输入电压裕量的精确推导
为保证D

考虑RUN引脚阈值温漂与线路压降：

RUN阈值：1.2V×0.97=1.164V（-55°C），要求RUN引脚电压≥1.25V

计算得：Vin_min = 1.25×(R9+200kΩ)/R9 = 3.75V

线路压降：50mm长、0.5mm宽走线电阻≈8mΩ，5A时压降40mV

输入电容ESR压降：4×22μF并联ESR≈2mΩ，压降10mV

综合：Vin_min = 3.88 + 0.04 + 0.01 ≈ 3.93V。两批次测试均要求4.2V，余量0.27V（6.5%），为电池老化、接触电阻等预留空间。该数值高度一致，应作为设计规范的强制要求。

2.3 电感饱和的协同效应
早期测试在过流保护中出现"啸叫声12.5kHz"，后续测试在动态负载中电感发热显著。计算：

对于Vout=3.3V，D=82.5%，t_on = 0.825×1μs = 825ns

ΔI = (Vin-Vout)×t_on/L = (4-3.3)×825ns/1μH = 0.58A（峰-峰值）

峰值电流Ipk = Iout + ΔI/2 = 5 + 0.29 = 5.29A

若电感饱和电流I_sat=6A，裕量仅13%。简封导致效率低，芯片发热更高，电感温度上升，I_sat下降，饱和风险增加。

3. 输入阻抗与源稳定性的交互影响

3.1 负阻抗振荡机制
DC-DC输入阻抗Z_in=-V_in²/(P_out×η)。在Vin=4V, P_out=16.5W, η=82%时： Z_in = -4²/(16.5×0.82) = -1.18Ω

若输入源为锂电池（内阻R_bat≈50mΩ）与寄生电感L_bat≈200nH，构成LC谐振： f_res = 1/(2π√(L_bat×C_in)) ≈ 38kHz

该频率接近环路带宽（50kHz），可能引发振荡。测试建议在输入端增加100μF聚合物电容（ESR≈10mΩ），提供阻尼。

3.2 长距离供电的稳定性禁区
POE供电距离100m，24AWG线规电阻达12Ω。ASP3605输入电流I_in≈5A×3.3V/(4V×0.82)≈5A，线路压降达60V，完全不可行。因此ASP3605适用于短距离（<0.5m）、低线路阻抗（<30mΩ）场景，如PCB内POL电源。

4. 输入电压-负载能力的全工况映射

基于两批次数据，建立稳定边界表：

Vout设定	保证满载5A的最小Vin	效率(5A)	推荐降额系数	电感饱和风险	测试依据
0.6V	4.0V	93%	100%	极低(D=15%)	后续测试满载
1.2V	4.0V	87%	100%	低(D=30%)	两批次均通过
2.5V	4.0V	89%	100%	中(D=62.5%)	早期测试通过
3.3V	4.2V	82%	80%(若Vin<4.2V)	高(D=78.6%)	两批次均异常
5.0V	6.9V	81%	100%	中(D=72.5%)	后续测试需Vin≥6.6V

5. 鲁棒性工程化设计准则

5.1 输入电压裕量的设计流程
针对Vin=4V→Vout=3.3V/3A，设计步骤如下：

计算占空比D=82.5%，确认超出常规工作区

查阅芯片D_max参数（假设88%），计算裕量5.5%

若裕量<3%，强制提升Vin至4.2V，D降至78.6%

计算RUN引脚分压：R9=100kΩ时，RUN=4.2×100/(100+200)=1.4V>1.2V

核算低温漂移：-55°C时RUN阈值降至1.15V，仍有21%余量

计算线路压降：R_line<30mΩ，3A时压降<90mV

验证电感饱和：I_sat>1.5×Ipk=1.5×(3+0.35)=5A，选6A饱和电流

5.2 PCB布局的寄生参数控制

输入电容距离IC<5mm，回路面积<30mm²，寄生电感<3nH

SW节点包地处理，耦合电容<5pF，防止噪声串扰至RUN引脚

电流检测采用差分布线，长度匹配误差<0.5mm

5.3 系统级保护策略

输入欠压预警：当Vin<4.3V时，MCU主动降频至50%负载

输出过压钳位：在Vout端并联TVS，防止电感饱和电压尖峰

热关断冗余：在IC底部增加NTC热敏电阻，软件监控温度，OTP前主动降载

6. 特殊应用场景适配方案

6.1 锂电池供电系统
电池满电4.2V时D=78.6%稳定；放电至3.6V时D=91.7%进入不稳定区。解决方案：

采用升降压转换器（如TPS63070）作为前级

或限制电池放电深度至3.8V，牺牲10%容量

软件监控Vin<4.0V时，自动将Vout从3.3V降至2.8V（D≈70%）

6.2 POE+ PD设计
POE+提供25.5W，PD前端整流后电压36-57V，需两级降压：48V→12V（隔离）+12V→1.8V/15A。第二级采用ASP3605双相180°，理论纹波<50mVpp，满足ASIC噪声要求<1%Vout。

7. 结论

ASP3605在极端占空比下的稳定性受多重因素制约，单纯依赖规格书的最小Vin参数会导致设计失效。基于两批次测试共同验证的设计准则，可将失稳概率降至<1%。