坚壁清野，预偏置启动的原理(上篇)

今东方皆以收麦，必坚壁清野以待将军，将军攻之不拔，略之无获，不出十日，则十万之众未战而自困耳。 — 陈寿·《三国志·魏书·荀彧传》

东汉末年，曹操征讨徐州，吕布趁机袭取兖州。曹操回师后，见徐州一带麦田已被收割殆尽，城池坚固，野外一无所获，不禁感叹荀彧的"坚壁清野"之策厉害——对手把粮食、物资统统藏进城里，让你纵然十万大军，也只能饿着肚子退兵。

坚壁清野的核心，就是守住已有的物资，绝不让敌人夺走一分一毫。

在开关电源的世界里，也有这么一种"坚壁清野"的技术——预偏置启动（Pre-Bias Start-up）。当输出电容上已经存有电压（如同城中有粮），电源芯片启动时，非但不能把这点"家底"给败光，还要稳稳地守住，让输出电压只升不降、单调爬升。稍有不慎，输出电压就会被"偷"走，轻则系统复位，重则芯片烧毁。

1 | 背景：什么是预偏置启动

1.1 预偏置的定义

所谓预偏置（Pre-Bias），顾名思义，就是电源输出端在启动之前已经存在一定的偏置电压。

这个初始电压从何而来？主要有几种来源：

1. 输出电容残压：系统上次断电后，输出电容上的电荷尚未完全泄放，残留了一部分电压。

2. 多电源轨串扰：在FPGA、CPU、DDR等复杂系统中，存在多路电源轨，各电源域之间可能通过ESD二极管、体二极管或寄生通路产生漏电，使某一路输出被"抬"到一个初始电压。

3. 热插拔/冗余系统：在并联电源模块或热插拔场景中，输出母线可能已经被其他模块供电，新插入的模块需要在"已有电压"的基础上启动。

预偏置启动，就是电源芯片在输出端已有初始电压的条件下，能够平滑、单调地启动，且不会导致输出电压跌落的能力。

1.2 为什么需要关注预偏置

诸君可能会问：不就是输出端有点电吗？启动就启动呗，能有什么大问题？

问题大了去了。

在同步Buck变换器中，如果控制器没有预偏置启动功能，启动瞬间输出电压不仅不会上升，反而会先往下掉一截——严重时直接跌到接近0V，导致负载芯片欠压复位，甚至因电源时序错乱而永久损坏。

这就好比你本来以为城里有粮，结果一开门发现粮食全被偷光了，全军顿时大乱。

预偏置启动功能，就是给输出电压上一道"保险"，确保启动过程中输出电压只升不降、单调爬升。

2 | 问题本质：为什么同步Buck会"掉电"

2.1 非同步Buck vs 同步Buck

要理解预偏置问题，首先得明白：只有同步Buck才有预偏置问题，非同步Buck没有。

为什么？因为非同步Buck用的是续流二极管，二极管具有单向导电性——电流只能从阳极流向阴极，反过来不行。

而同步Buck呢？它用的是低侧MOSFET（Low-Side MOSFET，简称LS管）来代替续流二极管。MOSFET有个"毛病"——它里面寄生着一个体二极管（Body Diode），而且更关键的是，MOSFET本身是双向导通的：只要栅极给了驱动信号，源漏之间不管电流方向如何，都能导通。

这就埋下了隐患。

2.2 体二极管的"偷家"路径

我们来具体分析一下。假设一个同步Buck变换器，输出电容C_out上已有预偏置电压V_pre，现在芯片开始启动。

传统启动方式（无预偏置功能）的启动过程：

1. 初始阶段：芯片上电，控制逻辑初始化。此时高侧管（HS管）Q_H还没开始开关，低侧管（LS管）Q_L的驱动状态取决于控制器设计。

2. 软启动初期：PWM脉冲开始出现，但占空比D非常小。也就是说，Q_H导通时间很短，Q_L导通时间很长（接近整个周期）。

问题就出在第2步。

由于输出电压V_out已经有V_pre这么高了，而软启动的目标电压是从0V慢慢往上爬的。在初始的几个周期里，软启动参考电压还低于当前的反馈电压，环路会试图把输出电压"拉低"到软启动目标值——于是Q_L获得了很长的导通时间。

这时，电流路径是这样的：

输出电容上的电荷，通过电感和低侧MOSFET，哗哗地往地上泄。

用基尔霍夫电压定律来分析，当Q_L导通时，电感两端的电压为：

其中：

• ：电感两端电压（V），左负右正• ：输出电压（V）

电感电流的变化率为：

负号表示电流在减小——而且如果初始电流为零，电流会变成负值（即从输出端流向地），也就是输出电容在放电。

输出电压的跌落幅度可以用电荷守恒来估算：

其中：

• ：输出电压跌落幅度（V）• ：流失的电荷（C）• ：平均放电电流（A）• ：放电持续时间（s）• ：输出电容总容值（F）

可以看到，输出电容越小、放电时间越长，电压跌落就越严重。在一些轻负载、大输出电容的系统中，这个跌落甚至可能达到几百毫伏到几伏，足以让负载芯片复位。

2.3 预偏置问题的危害

预偏置启动不当可能导致以下几类问题：

其中，电压反灌在某些场景下尤其危险。TI的一篇应用笔记中就提到了LM5145在反相Buck-Boost（IBB）拓扑中，由于Oring电路阻隔了前级电容，预偏置启动时输出电容的能量反向流回输入端，导致输入电压从12V飙升到37.6V，险些损坏芯片。

图：Vout=6.3V 时的pre-bias 启机波形，最高反灌电压37.6V

3 | 预偏置启动的核心机制

解决预偏置问题的核心思路，就是"坚壁清野"——在启动初期，想方设法堵住输出电容的放电路径，不让电荷流失。

业界主要有三种实现方案，各有优劣。

3.1 方案一：低侧管脉宽渐增法

这是最经典、最常用的方案，TI的TPS40009、LM2747等控制器都采用这种方式。

核心思想：软启动开始时，低侧管（LDRV）的导通脉冲非常窄，然后逐周期地增加导通时间，直到最终与高侧管形成互补的(1-D)导通关系。

具体工作过程如下：

1. 检测到首个PWM脉冲前：低侧管完全关断，输出电容没有放电路径，V_out保持在预偏置电压V_pre。2.

首个PWM脉冲出现：高侧管Q_H导通一个很短的时间Ton，给电感充一点电。3.

Q_H关断后：此时电感电流为正（从左到右），需要续流。但控制器

不立即打开Q_L，而是让电流通过Q_L的体二极管续流（二极管整流模式）。4.

下一个周期开始前：控制器才打开Q_L一个很短的脉冲，让同步整流"稍微介入"一下。5.

逐周期递增：每过一个开关周期，Q_L的导通时间就增加一点，也就是LDRV的前沿（leading edge）不断往前挪。

6. 最终状态：当Q_L的导通时间增加到(1-D)时，就完全过渡到正常的同步整流模式了。

用一句话总结就是：从异步整流（二极管续流）逐步过渡到同步整流，每一步都小心翼翼，绝不给反向电流可乘之机。

这种方案的好处是：

• 完全消除了启动初期的输出放电问题• 过渡平滑，输出电压单调上升• 适用于CCM和DCM模式

但也有注意事项：

• 自举电容（Bootstrap Capacitor）需要在首个PWM脉冲前充好电，否则高侧管打不开• 过渡过程中效率略低（因为有体二极管导通压降）

3.2 方案二：二极管仿真模式（DEM）

第二种方案更干脆——启动时干脆就工作在非同步模式，等输出电压上去了再切同步。

二极管仿真模式（Diode Emulation Mode, DEM）的原理是：控制器监测电感电流，当电感电流降到零或变为负时，立即关断低侧管，就像二极管截止一样。

在预偏置启动场景中，DEM模式天然具有优势：

• 启动初期，由于输出电压已经很高，软启动的参考电压低于反馈电压，环路会试图"拉低"输出。但在DEM模式下，一旦电感电流过零，低侧管就关断了，反向电流无法持续，输出电容不会持续放电。• 电感电流只能正流、不能反流，从根本上切断了输出到输入的反向能量流动路径。

DEM模式的效果非常显著。以LM5145为例，在FPWM模式下预偏置启动会产生37.6V的反灌尖峰，而切换到DEM模式后，反灌电压完全消失。

不过，DEM模式也有代价：

轻载动态响应变差：因为电感电流不能反向，负载突然加重时，电流只能从0开始往上爬，响应速度慢•

输出纹波可能增大：DCM模式下的纹波通常比CCM大•

频率不固定：DEM模式本质上是DCM + PFM，开关频率会随负载变化，EMI设计更复杂

3.3 方案三：单调软启动（Monotonic Soft-Start）

第三种方案的思路是：软启动不从0V开始，而是从当前的输出电压开始往上爬。

传统软启动的参考电压是从0V线性上升到目标值。但在预偏置场景下，如果V_out已经有V_pre了，而软启动参考从0V开始，那么在参考电压上升到V_pre之前，环路会认为"输出太高了"，从而试图拉低输出——这就是电压跌落的根源。

单调软启动的做法是：

1. 启动时先检测当前的输出电压V_out2. 如果V_out > 0，则软启动参考电压直接从V_out对应的电平开始上升3. 这样一来，输出电压始终被"往上推"，绝不会被"往下拉"

这种方式配合前面的低侧管控制一起使用，效果最佳。

TI的LM5148等控制器就采用了类似的策略——在软启动过程中，始终保证输出电压单调上升，不会出现任何跌落。

4 | 小结

上篇为诸君梳理了预偏置启动的前半部分内容：

预偏置的定义：输出端在启动前已存在初始电压，来源包括电容残压、多电源轨串扰、热插拔/冗余系统。

问题根源：同步Buck的低侧MOSFET双向导通，启动初期占空比低导致低侧管导通时间长，输出电容电荷被"泄放"，输出电压下跌——公式(1)~(3)给出了严格的数学描述。

三大解决方方案：

低侧管脉宽渐增法：从窄脉冲开始逐周期增加LDRV导通时间，平滑过渡到同步整流•

二极管仿真模式（DEM）：电感电流过零即关断低侧管，从根本上阻断反向电流•

单调软启动：软启动参考从当前输出电压开始上升，确保输出只升不降

"坚壁清野"之策已明，三条退敌之计已陈。然而，知其然亦须知其所以然——各路厂商是如何将这些方案落到实处的？工程实际中又有哪些坑需要避开？且待下篇分解。

参考文献

[1] TI, TPS40009 Datasheet (SLUS620), Low-Input High-Efficiency Synchronous Buck Controller
[2] TI, LM2747 Datasheet, Synchronous Buck Controller with Pre-Bias Startup
[3] TI, Application Note ZHCAAR9, LM5145在pre-bias启机过程中的电压反灌问题
[4] TI E2E论坛, 关于TPS40007/40009 Pre-biased
[5] MPS, MP2307 Datasheet, 3A, 23V, 650kHz Synchronous Step-Down Converter
[6] Infineon, IR3842 Datasheet, SupIRBuck 4A Synchronous Buck Regulator