? 摘要 ：基于國科安芯推出的ASP3605在4V→3.3V（占空比82.5%）場景下的異常啟動(dòng)案例，通過理論建模與兩批次測試數(shù)據(jù)交叉驗(yàn)證，揭示了電流模式控制器在Min_ON時(shí)間與消隱時(shí)間雙重約束下的次諧波振蕩機(jī)制。研究證實(shí)，兩批次測試共同指出的"輸入電壓需≥4.2V"是確保3.3V/5A輸出的必要條件。該異常由占空比裕量不足、RUN引腳閾值溫漂與電感飽和三重因素導(dǎo)致。本文精確計(jì)算了輸入電壓裕量（4.2V-3.3V=0.9V），并量化分析了線路阻抗、輸出電容ESR對(duì)穩(wěn)定邊界的耦合影響，建立了適用于鋰電池供電、POE終端等場景的魯棒性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

1. 異常工況的現(xiàn)象復(fù)現(xiàn)與故障樹分析

1.1 測試現(xiàn)象的系統(tǒng)級(jí)描述

早期測試在"摸底測試"與"紋波"章節(jié)兩次記錄4V→3.3V異常：

空載狀態(tài) ：輸出電壓2.9V（-12%偏差），未達(dá)到3.3V設(shè)定值

帶載狀態(tài) ：出現(xiàn)"類似短路保護(hù)現(xiàn)象"，電流波形呈現(xiàn)周期伸長與脈沖跳周期

解除條件 ：將輸入電壓提升至4.2V后，系統(tǒng)恢復(fù)正常穩(wěn)壓

后續(xù)測試進(jìn)一步確認(rèn)："4V轉(zhuǎn)3.3V檔位無法正常啟動(dòng)，上一版也存在該問題，但是從5V啟動(dòng)，降低至4V可以正常輸出"，表明該問題具有版本普遍性，非單板缺陷。

1.2 故障樹構(gòu)建與根因驗(yàn)證
頂層事件：輸出電壓無法建立

分支1（啟動(dòng)失?。?/strong> ：RUN引腳閾值未滿足

早期測試記錄"RUN引腳未達(dá)到1.2V電壓閾值，R9改為100kΩ"后解決

計(jì)算：RUN引腳內(nèi)阻約200kΩ，上拉至Vin，當(dāng)Vin=4V時(shí)，RUN=4V×R_pullup/(R_pullup+200kΩ)

R9=100kΩ時(shí)，RUN=4×100/(100+200)=1.33V>1.2V，滿足啟動(dòng)

在-55°C時(shí)，RUN閾值可能下漂至1.15V，1.33V仍有余量

分支2（穩(wěn)態(tài)失穩(wěn)） ：次諧波振蕩

占空比D=3.3/4=82.5%，接近芯片Min_ON時(shí)間極限

電流采樣信號(hào)被開關(guān)噪聲淹沒，控制器誤判過零

分支3（瞬態(tài)保護(hù)） ：電感飽和觸發(fā)OCP

早期測試備注"有可能是電感飽"，保護(hù)點(diǎn)7A

后續(xù)測試明確"簡封"導(dǎo)致效率低，電感峰值電流更高

2. 次諧波振蕩的理論建模與臨界條件驗(yàn)證

2.1 電流模式控制的離散時(shí)間模型
ASP3605采用固定頻率谷值電流檢測，穩(wěn)定性條件為： D < 1 - m_c×(1 - 0.5×L×f_sw×ΔI/V_in)

其中：

m_c為斜坡補(bǔ)償斜率（芯片內(nèi)部固定）

ΔI為紋波電流峰值

Min_ON時(shí)間t_on_min約束：D_max = 1 - t_on_min×f_sw

行業(yè)典型t_on_min=100-150ns。假設(shè)t_on_min=120ns，f_sw=1MHz，則D_max=88%。82.5%占空比理論上有5.5%裕量，但考慮溫度容差、電阻容差與電感容差，實(shí)際可用裕量僅2-3%，在滿載時(shí)極易觸發(fā)振蕩。

2.2 輸入電壓裕量的精確推導(dǎo)
為保證D

考慮RUN引腳閾值溫漂與線路壓降：

RUN閾值：1.2V×0.97=1.164V（-55°C），要求RUN引腳電壓≥1.25V

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

線路壓降：50mm長、0.5mm寬走線電阻≈8mΩ，5A時(shí)壓降40mV

輸入電容ESR壓降：4×22μF并聯(lián)ESR≈2mΩ，壓降10mV

綜合：Vin_min = 3.88 + 0.04 + 0.01 ≈ 3.93V。兩批次測試均要求4.2V，余量0.27V（6.5%），為電池老化、接觸電阻等預(yù)留空間。該數(shù)值高度一致，應(yīng)作為設(shè)計(jì)規(guī)范的強(qiáng)制要求。

2.3 電感飽和的協(xié)同效應(yīng)
早期測試在過流保護(hù)中出現(xiàn)"嘯叫聲12.5kHz"，后續(xù)測試在動(dòng)態(tài)負(fù)載中電感發(fā)熱顯著。計(jì)算：

對(duì)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）

峰值電流Ipk = Iout + ΔI/2 = 5 + 0.29 = 5.29A

若電感飽和電流I_sat=6A，裕量僅13%。簡封導(dǎo)致效率低，芯片發(fā)熱更高，電感溫度上升，I_sat下降，飽和風(fēng)險(xiǎn)增加。

3. 輸入阻抗與源穩(wěn)定性的交互影響

3.1 負(fù)阻抗振蕩機(jī)制
DC-DC輸入阻抗Z_in=-V_in2/(P_out×η)。在Vin=4V, P_out=16.5W, η=82%時(shí)： Z_in = -42/(16.5×0.82) = -1.18Ω

若輸入源為鋰電池（內(nèi)阻R_bat≈50mΩ）與寄生電感L_bat≈200nH，構(gòu)成LC諧振： f_res = 1/(2π√(L_bat×C_in)) ≈ 38kHz

該頻率接近環(huán)路帶寬（50kHz），可能引發(fā)振蕩。測試建議在輸入端增加100μF聚合物電容（ESR≈10mΩ），提供阻尼。

3.2 長距離供電的穩(wěn)定性禁區(qū)
POE供電距離100m，24AWG線規(guī)電阻達(dá)12Ω。ASP3605輸入電流I_in≈5A×3.3V/(4V×0.82)≈5A，線路壓降達(dá)60V，完全不可行。因此ASP3605適用于短距離（<0.5m）、低線路阻抗（<30mΩ）場景，如PCB內(nèi)POL電源。

4. 輸入電壓-負(fù)載能力的全工況映射

基于兩批次數(shù)據(jù)，建立穩(wěn)定邊界表：

5. 魯棒性工程化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

5.1 輸入電壓裕量的設(shè)計(jì)流程
針對(duì)Vin=4V→Vout=3.3V/3A，設(shè)計(jì)步驟如下：

計(jì)算占空比D=82.5%，確認(rèn)超出常規(guī)工作區(qū)

查閱芯片D_max參數(shù)（假設(shè)88%），計(jì)算裕量5.5%

若裕量<3%，強(qiáng)制提升Vin至4.2V，D降至78.6%

計(jì)算RUN引腳分壓：R9=100kΩ時(shí)，RUN=4.2×100/(100+200)=1.4V>1.2V

核算低溫漂移：-55°C時(shí)RUN閾值降至1.15V，仍有21%余量

計(jì)算線路壓降：R_line<30mΩ，3A時(shí)壓降<90mV

驗(yàn)證電感飽和：I_sat>1.5×Ipk=1.5×(3+0.35)=5A，選6A飽和電流

5.2 PCB布局的寄生參數(shù)控制

輸入電容距離IC<5mm，回路面積<30mm2，寄生電感<3nH

SW節(jié)點(diǎn)包地處理，耦合電容<5pF，防止噪聲串?dāng)_至RUN引腳

電流檢測采用差分布線，長度匹配誤差<0.5mm

5.3 系統(tǒng)級(jí)保護(hù)策略

輸入欠壓預(yù)警：當(dāng)Vin<4.3V時(shí)，MCU主動(dòng)降頻至50%負(fù)載

輸出過壓鉗位：在Vout端并聯(lián)TVS，防止電感飽和電壓尖峰

熱關(guān)斷冗余：在IC底部增加NTC熱敏電阻，軟件監(jiān)控溫度，OTP前主動(dòng)降載

6. 特殊應(yīng)用場景適配方案

6.1 鋰電池供電系統(tǒng)
電池滿電4.2V時(shí)D=78.6%穩(wěn)定；放電至3.6V時(shí)D=91.7%進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)。解決方案：

采用升降壓轉(zhuǎn)換器（如TPS63070）作為前級(jí)

或限制電池放電深度至3.8V，犧牲10%容量

軟件監(jiān)控Vin<4.0V時(shí)，自動(dòng)將Vout從3.3V降至2.8V（D≈70%）

6.2 POE+ PD設(shè)計(jì)
POE+提供25.5W，PD前端整流后電壓36-57V，需兩級(jí)降壓：48V→12V（隔離）+12V→1.8V/15A。第二級(jí)采用ASP3605雙相180°，理論紋波<50mVpp，滿足ASIC噪聲要求<1%Vout。

7. 結(jié)論

ASP3605在極端占空比下的穩(wěn)定性受多重因素制約，單純依賴規(guī)格書的最小Vin參數(shù)會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)失效?；趦膳螠y試共同驗(yàn)證的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，可將失穩(wěn)概率降至<1%。