短路恢復(fù)過沖原因及解決方法

1、汽車電子Buck變換器短路恢復(fù)輸出過沖分析劉松丁宇楊啟峰(萬代半導(dǎo)體元件上海有限公司上海201203)摘要：摘要：本文詳細(xì)分析了MOSFET開通延時(shí)、電流取樣信號(hào)延時(shí)和前沿消隱時(shí)間所決定的系統(tǒng)最小導(dǎo)通時(shí)間是峰值電流模式下脈寬限流不能起作用的原因；探討了用于汽車電子系統(tǒng)降壓型Buck變換器在輸出短路保護(hù)后恢復(fù)時(shí)輸出電壓產(chǎn)生過沖的問題，響應(yīng)慢CCM模式導(dǎo)致COMP腳電壓不能迅速放電；討論了短路時(shí)輸出二極管和引線電壓使電感逐漸飽和的過程。輸出

2、過沖前沿尖峰產(chǎn)生于電感和輸出電容的諧振，功率管直通導(dǎo)致穩(wěn)定后輸出電壓等于輸入電壓。最后給出了解決此問題的電路和測(cè)試結(jié)果。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明：此電路有效的抑止了短跑恢復(fù)中的輸出電壓過沖。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：變換器，輸出過沖，短路恢復(fù)，最小導(dǎo)通時(shí)間AnalysisofOutputOvershootingDuringShtCircuitRecoveryofBuckConverterinAutomobileElectronicSystemLiuSong

3、DingYuYangQifeng(AOSSemiconductCo.Ltd.Shanghai201203)Abstract:ThereasonwhycyclebycyclecurrentlimitcannotfunctionevenatpeakcurrentmodePWMisanalyzedindetail.OutputovershootingduringshtcircuitrecoveryofBuckconverterinautomo

4、bileelectronicsystemisdiscussedinthispaper.Theprocessoftheinductgoingintosaturationgraduallyowingtovoltageofcatchdiodetraceduringoutputshtcircuitisalsodiscussed.Spikevoltageofoutputatleadingedgeiscausedbytheinductoutputc

5、apacitance.PowerMosfetholdingalwaysonmakesoutputvoltageequaltoinputvoltage.Thesolutiontotreatthisissuetestresultsaregivenintheend.Keywds:converteroutputovershootshtcircuitrecoveryminimumonduration1引言引言目前在汽車電子系統(tǒng)中，輸入使用12V2

6、4V的電壓[1]，然后采用Buck降壓變換器，得到5V、3.3V，2.5V，1.8V，1.2V等多種電壓以提供給系統(tǒng)的各種邏輯數(shù)字芯片，模擬芯片，MCU或DSP的內(nèi)核、IO口等負(fù)載。系統(tǒng)要求電源芯片在輸出短路時(shí)要有保護(hù)功能，暫態(tài)的輸出短路狀態(tài)消除后系統(tǒng)可以恢復(fù)。在一些Buck變換器應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，在輸出短路恢復(fù)的過程中，輸出產(chǎn)生過沖，穩(wěn)定后輸出電壓等于輸入電壓，由于汽車電子系統(tǒng)的輸入電壓高，這樣就會(huì)損壞后面所帶的芯片負(fù)載。本文將探討這些問題

7、及其產(chǎn)生的原因，并給出相應(yīng)的電路以解決這些問題。2短路恢復(fù)過程輸出過沖短路恢復(fù)過程輸出過沖通常在汽車電子系統(tǒng)中的Buck降壓變換器采用紋波電流小、傳輸功率大和EMI特性好的CCM峰值電流模式控制，同時(shí)具有過流和輸出短路保護(hù)的功能，通過對(duì)電感峰值電流的逐周期自動(dòng)控制，直接限定了電感峰值電流以及電感的平均電流。在輸出短路時(shí)，保護(hù)電路就將其工作頻率降到正常頻率的18左右。因?yàn)楣ぷ黝l率較低，電感的平均電流也很低；當(dāng)瞬態(tài)的輸出短路狀態(tài)撤除，變換器

8、經(jīng)過軟啟動(dòng)電路重新啟動(dòng)。在實(shí)際的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，將輸出短路再去除短路時(shí)，輸出會(huì)出現(xiàn)較大過沖尖峰，超過輸入電壓，而且最后穩(wěn)定到輸入小，電流下降很慢，在開關(guān)周期的關(guān)斷時(shí)間內(nèi)，電感不能充分的磁復(fù)位，這樣在下一個(gè)開關(guān)周期，電感的電流再從更高的電流值線性增加，電感的磁通也從更高的起始磁通值激磁。幾個(gè)開頭周期后，電感將逐漸的飽和。在最小導(dǎo)通時(shí)間狀態(tài)下，電流信號(hào)傳輸?shù)难訒r(shí)和前沿消隱時(shí)間使脈沖限流功能失去作用。從上面的分析可以直觀的得到：降低開關(guān)頻率，由于

9、導(dǎo)通時(shí)間固定，從而延長電感去磁的時(shí)間，抑止電感飽和。短路去除后系統(tǒng)進(jìn)入軟起動(dòng)，系統(tǒng)從折返的頻率進(jìn)入正常的開關(guān)頻率。注意到由于CCM模式響應(yīng)慢，能量轉(zhuǎn)移速度慢，短路去除后輸出負(fù)載電流迅速減小，由于輸出電壓仍然很低，VCOMP應(yīng)該仍然維持高的電壓值，軟起動(dòng)的過程中，雖然VCOMP降低，但其下降的速度較多慢，這樣開關(guān)管開通后會(huì)開關(guān)較長的時(shí)間，注意到電感中已經(jīng)儲(chǔ)存了很多的能量，電感的起始磁通位于很高的值，再加上從輸入傳送的能量繼續(xù)激磁，導(dǎo)致電感

10、電流繼續(xù)增加，在一段時(shí)間維持在峰值的電流值，同時(shí)輸出電壓的上升。幾個(gè)開關(guān)周期后，上端的主開關(guān)管直通，電感和輸出電容形成諧振環(huán)，輸出電壓諧振到峰值，阻尼振蕩回到穩(wěn)定的輸入值，電感電流下降到0到負(fù)向最大值，然后到一個(gè)較小的直流值。圖1可以得到振蕩頻率約為15kHz，由于電感L為5.8uH，輸出電容為20uF，則LC諧振頻率為：ofkCLfo78.141020108.5212166???????????????兩者的結(jié)果一致。4抑止過沖的電路

11、抑止過沖的電路在正常的軟起動(dòng)過程中，但是由于軟起動(dòng)電路限制，VCOMP電壓只能逐漸的增加，因此占空比也是逐漸的增加，當(dāng)輸出電壓達(dá)到正常的值，占空比也達(dá)到正常的值。在此過程中，浪涌的電流被限制，在每一個(gè)開關(guān)周期，電感磁通能夠正常的復(fù)位，伏秒值就可以維持平衡。在短路恢復(fù)的過程中，由于VCOMP電壓高，若COMP管腳放電壓速度慢，系統(tǒng)無法重新進(jìn)入正常的軟起動(dòng)，電感的儲(chǔ)能導(dǎo)致輸出產(chǎn)生過沖。在輸出電容大時(shí)，必須要有更長的軟起動(dòng)時(shí)間，才能有效的減小

12、輸出過沖。對(duì)于這個(gè)問題，最直觀的想法就是：如果在短路恢復(fù)過程中，當(dāng)輸出電壓從0開始增加時(shí)，在其回到正常輸出值前將COMP腳的電壓拉低，這樣能夠進(jìn)入正常的軟起動(dòng)，就有可能完成正常的短路恢復(fù)過程。解決的方案如圖2所示。為了拉低在短路恢復(fù)過程中COMP腳的電平同時(shí)又不影響電路的正常工作，在COMP腳加上一個(gè)三極管放電回路。在短路恢復(fù)過程中，輸出電壓上升的前沿形成一個(gè)高頻信號(hào)，經(jīng)C3耦合到三極管基極，使其導(dǎo)通，強(qiáng)制將COMP電位置低，從而抑制輸