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如何全面做好過壓保護(hù)？淺談開關(guān)電源OVP功能
時間:2023-12-29
來源: 芯洲科技
為應(yīng)對復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境，開關(guān)電源內(nèi)部集成了多種保護(hù)功能，常見的有過流保護(hù)、過溫保護(hù)、輸入欠壓保護(hù)及輸出過壓保護(hù)等。過流及過溫保護(hù)主要對IC進(jìn)行保護(hù)，防止芯片燒毀；輸出過壓保護(hù)則是為了確保各種應(yīng)用條件下的輸出電壓穩(wěn)定，保證受電端正常工作，不會超過受電端電子器件能承受的最高電壓。
由于負(fù)載波動等原因，電源很可能會出現(xiàn)過壓情況。過壓幅度和持續(xù)時間是電源設(shè)計時時的要考慮的因素，本文將對輸出過壓可能出現(xiàn)的情況以及解決方式進(jìn)行展開。
PART1 輸出啟動
無軟啟動帶來影響
開關(guān)電源剛啟動時輸出電壓為0，當(dāng)沒有輸出軟啟動時，反饋環(huán)路將快速調(diào)節(jié)使開關(guān)電源以最大輸出能力為輸出電壓充電。由于環(huán)路響應(yīng)速度原因，當(dāng)輸出電壓到達(dá)設(shè)定值后占空比會在一段時間后才降低到正常狀態(tài)（比如電流模式控制的COMP電壓調(diào)整）。占空比調(diào)節(jié)期間輸出將出現(xiàn)過壓，過壓大小與占空比調(diào)節(jié)速度相關(guān)。
啟動電路實現(xiàn)方式
針對此情況開關(guān)電源通常會設(shè)計軟啟動電路。通過軟啟動電路實現(xiàn)輸出電壓緩慢升高到設(shè)定值，從而防止輸出過壓。
軟啟動電路實現(xiàn)方式多種多樣，降壓轉(zhuǎn)換器軟啟動電路實現(xiàn)以SCT2432Q為例。如圖1所示，SCT2432Q內(nèi)部反饋誤差放大器（EA）除反饋電壓FB和基準(zhǔn)電壓VREF外引入SS（軟啟動電壓），誤差放大器將FB與VREF和SS兩者之間低的一方進(jìn)行比較。SS電壓通過內(nèi)部恒流源（典型值3uA）對外部電容充電所產(chǎn)生，剛啟動時時SS電壓從0開始緩慢增加，反饋電壓FB與SS電壓進(jìn)行比較實現(xiàn)FB跟隨SS電壓即實現(xiàn)輸出電壓的線性上升。
可根據(jù)上電時序要求、輸出電容大小等因素選取SS電容以滿足系統(tǒng)要求。
圖1 SCT2432Q內(nèi)部軟啟動邏輯框圖
圖2_SCT2432Q Vout與SS電壓等比例對應(yīng)
PART2 負(fù)載快速階躍
負(fù)載階躍過壓產(chǎn)生原因
在開關(guān)電源工作過程中，當(dāng)后級負(fù)載突然斷開或快速降低時，輸出電壓可能會出現(xiàn)過沖現(xiàn)象。產(chǎn)生原因如下：
當(dāng)穩(wěn)態(tài)工作時電感電流平均值與負(fù)載電流相同。當(dāng)負(fù)載突然減小時，轉(zhuǎn)換器通過調(diào)節(jié)占空比降低電感電流平均值。如果負(fù)載變化緩慢降低（電感電流速度與負(fù)載變化速度相同）則輸出電壓不會出現(xiàn)過壓；但當(dāng)負(fù)載降低速度快于電感電流速度時，多余的能量將積累到輸出電容上出現(xiàn)過沖。
常見OVP功能實現(xiàn)方式
加快環(huán)路調(diào)節(jié)速度有利于降低過壓值，選型時可以考慮帶COMP管腳的型號，同時電源芯片一般都具備OVP功能。以SCT2432Q為例，內(nèi)部集成過壓保護(hù)比較器，當(dāng)反饋電壓FB值大于基準(zhǔn)電壓VREF的110%時（反應(yīng)時間uS級），過壓保護(hù)比較器翻轉(zhuǎn)鉗位內(nèi)部邏輯使開關(guān)管停止震蕩，供電端能量無法傳遞到輸出端，從而實現(xiàn)過壓保護(hù)。但此時電感電流可能不為0，仍存在能量向后級釋放，使輸出電壓仍有上升。
圖3 SCT2432Q內(nèi)部OVP功能邏輯框圖
圖4 SCT2432Q負(fù)載快速跳變過壓保護(hù)功能
PART3 最小占空比限制
對于BUCK、BOOST電路而言通常最小導(dǎo)通時間限制了最小占空比。
根據(jù)伏秒平衡公式可計算當(dāng)前輸入條件下轉(zhuǎn)換的最小輸出電壓，當(dāng)設(shè)置電壓＜最小輸出電壓時，將出現(xiàn)過壓現(xiàn)象。此時更多由OVP功能進(jìn)行保護(hù)，輸出電壓升高至OVP高閾值時停止開關(guān)，輸出電壓下降；當(dāng)下降至OVP低閾值時，重新開始工作，此時輸出電壓更像是工作在遲滯模式。此情況多出現(xiàn)于高頻小轉(zhuǎn)換比工作狀態(tài)。
圖5 SCT2432Q 最小占空比限制工作狀態(tài)
PART4 輸入電壓大幅度快速變化
輸入電壓變化導(dǎo)致輸出過壓
某些復(fù)雜工況下輸入電壓會出現(xiàn)大幅度快速變化，汽車應(yīng)用常見的發(fā)動機(jī)啟動瞬間線路存在壓降（波形參考ISO 7637-2 PULSE 4），對于一級DCDC轉(zhuǎn)換器，此時輸入電壓由正常值跌落然后快速恢復(fù)。
若輸入電壓跌落最低值＜輸出電壓設(shè)定值，且輸入＞欠壓閾值，此時轉(zhuǎn)換器將調(diào)節(jié)至最大占空比狀態(tài)；當(dāng)輸入電壓快速回升到正常值時，由于占空比原因電感電流快速升高（通常會升高到電流過流閾值），會使輸出電壓快速升高；當(dāng)反饋電壓FB升高至基準(zhǔn)電壓Vref 110%時OVP生效，且OVP生效時電感電流仍存在較大電流殘余，能量傳遞到輸出電容，輸出電壓進(jìn)一步升高。容易出現(xiàn)高于110%設(shè)定值輸出電壓，對后級負(fù)載產(chǎn)生損壞的可能；如果后級負(fù)載處于輕載狀態(tài)，輸出電壓需要較長時間才能回復(fù)至正常值。
解決方案
針對此問題，芯洲科技40V車規(guī)級DCDC轉(zhuǎn)換器SCT2434A/CQ通過優(yōu)化控制方法，有效避免輸入電壓快速變化帶來的輸出過沖甚至過壓問題，可實現(xiàn)輸出電壓的緩慢恢復(fù)。
圖6 SCT2434CQ輸入電壓跳變 無過壓現(xiàn)象存在
（頻率2.1M 電感2.2uF輸出電容44uF）
開關(guān)電源出現(xiàn)過壓現(xiàn)象的條件多種多樣，上述僅討論常見的幾種方式。
對于不同情況給芯片帶來的挑戰(zhàn)，芯洲科技將不斷更新產(chǎn)品、優(yōu)化設(shè)計以適應(yīng)各種嚴(yán)苛應(yīng)用。以更加全面的保護(hù)功能，涵蓋更多復(fù)雜應(yīng)用場景，提高輸出電壓穩(wěn)定度，為負(fù)載提供更加安全可靠的電源。
SCT2434A/CQ
□ 輸入電壓：3.6-36V
□ 負(fù)載能力：3A
□ 頻率：400KHz（AQ）&2.1MHz（CQ）
□ 內(nèi)置4mS軟啟動
□ 25uA低靜態(tài)電流
□ 第二代LDO模式
□ 采用2mm*3mm QFN-12L封裝
SCT2434A/CQ即將量產(chǎn)，如有需求可以提供樣片測試，申請樣片或訂購可聯(lián)系銷售或郵件至：sales@silicontent.com。
