坚壁清野・预偏置启动下篇：同步Buck各芯片厂商方案拆解、环路与实测要点

坚壁清野，预偏置启动（Pre-Bias Start-up）原理（下篇）—— 厂商方案对比与工程实践

上篇[ 坚壁清野，预偏置启动的原理(上篇) ]说到，预偏置启动的核心思路是"坚壁清野"——堵住输出电容的放电路径，不让电荷流失。我们已分析了三种主流方案：

低侧管脉宽渐增法、二极管仿真模式（DEM）、单调软启动。

然而，知其然亦须知其所以然。方案是死的，芯片是活的。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？

本篇接续上篇，为诸君梳理各主流厂商的实现方案对比，以及工程实践中的设计考量。

1 | 各主流厂商实现方案对比

"条条大路通罗马"，各家厂商在预偏置启动的实现上各有特色。

1.1 TI方案：LDRV前缘调制

TI的预偏置启动方案以LDRV（低侧驱动）前缘逐周期调制为特色，代表性芯片有TPS40007/40009、LM2745/LM2747、LM27402、LM5145/LM5148等。

以TPS40009为例，其工作机制为：

• 软启动期间检测到第一个PWM脉冲后，控制器以很窄的LDRV脉冲开始激活同步整流

• 每个周期LDRV的前沿（leading edge）向前移动，导通时间逐周期增加

• 最终，LDRV的前沿与HDRV的后沿对齐，同步整流完全使能

这种"前缘前移"的方式非常巧妙——它确保了在任何时刻，低侧管的导通都发生在电感电流已经为正的续流阶段，不会产生反向电流。

再以LM2747为例，其datasheet明确标注了"Pre-Bias Startup"功能。当VCC超过2.79V且SD引脚为高电平时，软启动开始：

内部10μA恒流源给软启动电容充电，在软启动参考电压上升到反馈电压之前，低侧管保持关断，输出电压不受影响。

只有当软启动参考电压超过反馈电压后，PWM才开始动作，输出电压从预偏置电平开始单调上升。

1.2 MPS方案：集成式预偏置启动

MPS（芯源系统）的同步Buck芯片大多集成了预偏置启动功能，代表性芯片有MP2307、MPQ4420等。

MPS的方案特点是：

• 高度集成，芯片内部自动处理，无需外部额外配置• 启动时自动检测输出电压状态，调整软启动过程• 配合峰值电流模式控制，响应速度快

对于用户来说，MPS的方案最省心——只要datasheet上写了"Pre-Bias Start-Up"，直接用就行，基本不需要额外操心。

1.3 Infineon方案：异步启动 + 同步管延迟开启

Infineon的IR3842（SupIRBuck系列）采用了另一种思路：

• 启动时以异步模式开始，低侧管完全关断

• 电流仅通过低侧管的体二极管续流（相当于非同步Buck）

• 当输出电压接近目标值后，同步整流才介入

这种方式简单直接，代价是启动过程中体二极管的压降损耗略高。

1.4 各厂商方案横向对比

虽然实现细节各有不同，但核心目标是一致的：启动过程中不让输出电容放电，确保输出电压单调上升。正所谓"万变不离其宗"。

2 | 工程实践与设计考量

2.1 芯片选型要点

选型时，务必在datasheet中确认以下几点：

1. 是否明确支持Pre-Bias Start-up：看Features列表和Soft-Start章节的描述。如果只字不提，多半是不支持的。

2. 支持的预偏置电压范围：有些芯片只支持一定范围内的预偏置电压（比如不超过目标输出电压的80%），超出范围可能无法保证单调启动。

3. FPWM模式下的表现：注意区分FPWM（强制PWM）模式和DEM模式。有些芯片在FPWM模式下预偏置启动会有反灌，只有DEM模式才完全没问题。

电源先生的提醒：任何不看datasheet就选型都是想当然。尤其是预偏置这种"细节决定成败"的功能，一定要从数据手册里找到明确的描述和波形图，才能放心使用。

2.2 自举电容的影响

自举电容（Bootstrap Capacitor）在预偏置启动中扮演着重要角色。

高侧MOSFET的驱动需要自举电容来提供浮地的驱动电压。在预偏置启动的首个PWM脉冲到来之前，自举电容必须已经充好电，否则高侧管打不开，PWM脉冲出不来，预偏置功能也就无从谈起。

自举电容的选取原则：

其中：

• ：自举电容容值（F）• ：高侧MOSFET的栅极总电荷（C）• ：自举电路的漏电流（A）• ：开关周期（s）• ：允许的自举电压纹波（V），通常取0.5V~1V

实际应用中，一般选择计算值的2~10倍作为裕量，常用值为100nF~1μF。

以TI的TPS54360为例，假设参数如下：

• （查MOSFET手册）• μ（估算）• μ（）•

代入公式(4)：

取2~10倍裕量，实际选用100nF~1μF即可。

2.3 环路响应与预偏置的关系

这里有一个容易被忽略的点：环路响应速度也会影响预偏置启动的表现。

环路响应慢意味着什么？意味着软启动开始后，COMP（补偿）电压上升得慢，占空比展开得慢。在FPWM模式下，占空比小就意味着低侧管的导通时间长，反向电流就多，反灌就严重。

TI的应用笔记ZHCAAR9中做了一个很有意思的实验：

同样的LM5145，同样的预偏置条件，通过优化环路补偿，把COMP电压的上升时间从1.14ms缩短到490μs，预偏置的电压反灌问题就基本解决了。

图：系统初始环路参数，Vout=6.3V 时的pre-bias 启机波形，comp 上升时间1.14ms

图：系统优化环路参数，Vout=6.3V 时的pre-bias 启机波形，comp 上升时间490us

该实验的具体参数如下：

这个例子告诉我们：

• 预偏置问题不只是"启动逻辑"的问题，也和环路带宽密切相关

• 适当提高环路带宽（在保证稳定性的前提下），可以减轻预偏置反灌

• 但根本的解决之道，还是要靠芯片本身的预偏置启动功能

2.4 实测验证方法

纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。预偏置启动好不好，示波器上见真章。

测试方法：

1. 准备条件：给输出电容预充电到目标预偏置电压（可以用外部电源直接接输出端，或者先让电源工作一次再快速断电再上电）。

2. 测试波形：用双通道或四通道示波器同时监测：

1. • EN/SS引脚（触发信号）• Vout输出电压（重点观察是否有跌落）• SW节点波形（观察开关动作）• 电感电流（如有条件，观察是否有反向电流）

判断标准：

实战经验：测试时一定要在空载和轻载条件下都测一遍。因为负载越轻，输出电容放电越慢，预偏置电压越高，问题越容易暴露。满载时反而可能因为负载本身就在放电，预偏置电压不高，问题不明显。

3 | 总结

最后，为诸君梳理全文（上下两篇）核心要点：

1. 预偏置启动的本质：输出端已有初始电压时，电源芯片能够保证输出电压单调上升、不跌落的启动能力。

2. 问题根源：同步Buck的低侧MOSFET是双向导通的，启动初期占空比低、低侧管导通时间长，会把输出电容上的电荷"泄放"掉，导致输出电压下跌。

3. 三大实现方案：

• 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（TI经典方案）•

二极管仿真模式（DEM）：启动时工作在异步模式，电感电流过零即关断，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，而非从0V开始，确保输出只升不降

4. 各厂商方案各有千秋：TI的LDRV前缘调制最经典，MPS的集成式最省心，Infineon的异步启动最简洁，ADI/LTC的DEM方案最可靠——殊途同归，目标一致。5. 工程设计要点：选型时确认datasheet、合理设计自举电容（公式4~5）、关注环路带宽对预偏置的影响、务必在空载和轻载条件下实测验证。

回到开头的典故——"坚壁清野"是把粮食藏好、城墙加固，让曹操的十万大军无功而返。预偏置启动何尝不是如此：把输出电容的电荷"守"好，把低侧管的放电路径"堵"住，让启动过程稳如磐石，输出电压只升不降。

所谓"善战者，先为不可胜，以待敌之可胜"（先确保自己不可被战胜，再等待敌人出现可被战胜的机会）——电源设计也是一样的道理。把该防的都防住了，该守的都守住了，系统自然稳如老狗。

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