主父偃说上(汉武帝)曰:“今诸侯或连城数十,地方千里,缓则骄奢,易为婬乱,急则阻其强而合从以逆京师;以法割削之,则逆节萌起;前日晁错是也。今诸侯子弟或十数,而适嗣代立,余虽骨肉,无尺地之封,则仁孝之道不宣。愿陛下令诸侯得推恩分子弟,以地侯之,彼人人喜得所愿;上以德施,实分其国,不削而稍弱矣。” - 《资治通鉴·汉纪》
汉景帝时,御史大夫晁错提出 “削藩策”,结果引发七国之乱,天下动荡。而武帝时换了一种思路,用主父偃之谋,令诸侯以私恩裂地,分其子弟。诸侯王们即便知道这是武帝削弱自己的手段,却也无法拒绝众多子孙们殷切的目光。由此,原本庞大的诸侯国被不断切削,零散不一,几代之后,再也没有对抗中央的实力。汉帝国由此中央集权,蓄力发展经济,为北击匈奴、南伏百越,展露汉家武功军威提供了经济基础。
在LDO的设计上,也有一种被称为“缓启动(soft-start)”的feature,如下图,可在datasheet中看到。它与汉武帝的推恩令在本质上极为相似,均是通过一个渐进、温和、结构化分解的过程,来规避剧烈冲突,实现结果稳定和可控。

LDO缓启动背景
我们首先回顾下裸奔型(不带缓启动),即最基本的LDO的工作过程。
如下图,当输入电压上升到最低工作电压时,LDO开始工作,基准电压Vref首先建立,此时误差放大器检测到Vfb远低于Vref,就会驱动MOS管,试图完全打开调整管,将Vin全力灌向输出,以使Vfb达到Vref的水平,这便是闭环反馈控制。

于是,这种裸奔型LDO有如下问题:
- 内部电路的延迟等因素可能会导致输出电压过冲,如下图所示,而超过负载电路的额定电压则可能带来损坏。
- 此外,当 LDO开启输出电压时,由于输出电容Cout上没有电荷,对地相当于短路状态,会有很大的浪涌电流流入/流出LDO,直到把Cout充满电。
- 其三,如果Vin走线阻抗较大,那么浪涌电流便会在该阻抗上产生较大的压降,使LDO看到的Vin较小,有触发UVLO的风险,使LDO无法输出正常的电压。

而缓启动(也称软启动)便是为了限制浪涌电流而生的,可以规避上述情况发生,当前大多数LDO芯片均集成了该功能。
LDO缓启动原理
其核心机理是:上电时,LDO主动地使其输出电压从零缓慢地上升到目标电压,而不是瞬间建立。
那么具体是如何实现的呢?
最为常用的方法是参考电压斜坡法。
如下图,以AW37283BXXX-Q1芯片的内部框图为例,可见在误差放大器的同相输入端,除了Vfb,还有一个Vramp输入,此即为一个可控的斜坡发生器,我们称为ramp斜坡模块,它将用来实现缓启动。

缓启动大致可分为三个过程:
- 刚上电时,ramp模块占据环路控制权,初始时Vramp = 0,误差放大器便认为输出电压为0V,因此MOS调整管几乎处于关闭状态。
- 然后随着Vramp线性升高,EA的目标电压也随之升高,于是它缓慢地驱动调整管,使Vout跟随Vramp的斜率上升。
- 当Vramp达到最终稳定的Vref值时,斜坡结束,电路进入正常的、以Vfb为反馈的稳压调节模式。
可见,缓启动是通过控制反馈环路的目标电压,人为地在“开”的过程中加入慢动作,降低输出电压的上升斜率。
根据浪涌电流的核心公式:I_inrush = C_out * (dVout/dt),减小了dVout/dt,便能直接限制 I_inrush。

LDO缓启动波形
某款LDO芯片实测缓启动过程如下图,平稳有序,无剧变波澜,更为优雅。

总结
段永平曾说过“慢即是快”,软启动亦暗含了这种智慧,用温柔的上升曲线,化解了万马奔腾、瞬间冲刺的风险。
如果电源系统较为庞杂(如手机电源系统),或者电源上有大容量的负载电容,则必须选择带有缓启动功能的LDO,以规避稳定性风险。此外,在某些重要的应用中,还要根据数据手册设定合适的缓启动时间(某些芯片软启动时间是可编程的,或者可用电容设定)。