Buck變換器電流和電壓跟蹤型軟起動(dòng)電路設(shè)計(jì)
概述
目前在電子系統(tǒng)中使用了許多Buck降壓型變換器，這些變換器集成芯片中，有些使用了外部軟起動(dòng)管腳來設(shè)定軟起動(dòng)時(shí)間，而有些內(nèi)部集成的數(shù)字或模擬的定時(shí)器固定了軟起動(dòng)時(shí)間以減小外部管腳的分配降低芯片成本。在一些實(shí)際的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，有外部軟起動(dòng)管腳的芯片有時(shí)因?yàn)閮?nèi)部軟起動(dòng)電容的放電電路不能及時(shí)將軟起動(dòng)電容的電荷放掉，導(dǎo)致系統(tǒng)重起時(shí)過流保護(hù)電路工作并閉鎖，系統(tǒng)不能正常工作；那些具有固定的軟起動(dòng)時(shí)間的芯片有時(shí)卻不能滿足一些應(yīng)用的要求。如在一些工業(yè)醫(yī)療電子系統(tǒng)應(yīng)用中，有些電壓在上電過程中要求有非常長(zhǎng)的軟起動(dòng)延時(shí)；在汽車電子系統(tǒng)中，輸出電壓需要一個(gè)超極大電容，從而在電源掉電時(shí)或電機(jī)拋負(fù)載時(shí)，保證系統(tǒng)所需要的維持時(shí)間；[1] 無線上網(wǎng)卡中，輸出電壓更是需要一個(gè)超極大電容，保證功放電路正常的發(fā)射工作，這些應(yīng)用由于輸出有大電容，若軟起動(dòng)時(shí)間不夠，就會(huì)在系統(tǒng)的起動(dòng)中產(chǎn)生問題，本文將討論這些問題并給出相應(yīng)的外部軟起動(dòng)電路。
1. 軟起動(dòng)電路工作原理
對(duì)于電流模式的Buck變換器，通常有電壓的外環(huán)和電流的內(nèi)環(huán)，在電源上電起動(dòng)的過程中，輸出電容短路，因此外環(huán)的輸出電壓誤差放大器輸出VITH達(dá)到工作的最大值。VITH為內(nèi)環(huán)電流反饋信號(hào)的參考值，在起動(dòng)過程中，VITH為越大值，電流也就達(dá)到最大值，占空比也達(dá)到最大值，這樣，芯片就工作在PWM所決定的最大限流值和最大占空比值，大的電流應(yīng)力和發(fā)熱會(huì)損壞芯片，因此通常電源芯片需要一些保護(hù)電路，在起動(dòng)的過程中，讓占空比逐漸的增大，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軟起動(dòng)。[2] [3]
軟起動(dòng)電路的工作方式有二種類型：電流跟蹤型和電壓跟蹤型。通常電流跟蹤型就是在起動(dòng)的過程中，讓VITH的電壓隨時(shí)間的延長(zhǎng)緩慢的增加，也就是在ITH管腳加一個(gè)電容，在上電的過程中，一個(gè)電流源緩慢對(duì)電容充電，電容的電壓也就緩慢的升高。由于VITH的電壓是輸入電流的參考值，這樣，就限制了起動(dòng)過程的浪涌電流，同時(shí)占空比也逐漸的增大，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軟起動(dòng)。當(dāng)起動(dòng)過程完成后，通過一個(gè)電路將電容的電荷放掉，以實(shí)現(xiàn)下一次的軟起動(dòng)。電壓跟蹤型就是在起動(dòng)的過程中，讓輸出誤差電壓放大器的固定參考電壓VREF不起作用，由另外的一個(gè)隨時(shí)間的延長(zhǎng)緩慢增加的參考電壓起作用，這樣在上電的過程中，VITH的電壓為較低的值，從而限制了起動(dòng)過程的浪涌電流，同時(shí)占空比也逐漸的增大，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軟起動(dòng)。當(dāng)起動(dòng)過程完成后，固定的參考電壓VREF起作用，系統(tǒng)進(jìn)入正常的反饋調(diào)節(jié)，而隨時(shí)間變化的另外一個(gè)參考電壓不再起作用。
上面分析表明：電壓跟蹤型軟起動(dòng)電路在起動(dòng)過程中實(shí)時(shí)跟蹤輸出電壓的變化，因此它比電流跟蹤型軟起動(dòng)電路能夠更有效的限制浪涌電流。
2. 常用的三種外部軟起動(dòng)電路
一些集成的Buck變換器芯片由于內(nèi)部集成的數(shù)字或模擬的軟起動(dòng)定時(shí)器，因此軟起動(dòng)時(shí)間不能調(diào)節(jié)。圖1中列出了常用的3種常用的外部軟起動(dòng)電路，這3種常用的軟起動(dòng)電路都是電流跟蹤型軟起動(dòng)方式。
在圖1(a)，在上電的過程中，輸入電壓通過電阻對(duì)電容Cs充電，在瞬態(tài)的過程中，Cs相當(dāng)于短路，二極管D導(dǎo)通，VITH的電壓為二極管D正向?qū)▔航?。隨著電容電壓的升高，VITH的電壓也升高。然后二極管D反偏關(guān)斷，軟起動(dòng)過程結(jié)束。二極管D導(dǎo)通將VITH的電壓較長(zhǎng)的時(shí)間箝位在較低的值，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)上電的軟起動(dòng)。注意到VITH最低工作電壓，因此要選用肖特基二極管，從而保證VITH的電壓值在較低的水平。此電路中，由于軟起動(dòng)電容Cs沒有放電的回路，因此只能在系統(tǒng)輸入電源斷電后再上電時(shí)才能進(jìn)行軟起動(dòng)。在輸出過載或短路保護(hù)后，系統(tǒng)重啟時(shí)，無法提供軟起動(dòng)。
圖1 (b) 的工作原理和圖1(a)類似，由于PNP型三極管T的飽和壓降很低，能夠提供更為可靠的軟起動(dòng)保護(hù)。同樣，也只能在系統(tǒng)輸入電源斷電后再上電時(shí)才能進(jìn)行軟起動(dòng)。在輸出過載或短路保護(hù)后，系統(tǒng)重啟時(shí)，無法提供軟起動(dòng)。
圖1. 常用的三種外部軟起動(dòng)電路
圖1 (c)中，當(dāng)電源起動(dòng)時(shí)，輸出電壓上升，電容相當(dāng)于短路，NPN型三極管T導(dǎo)通，VITH的電壓被箝位緩慢上升，從而開關(guān)電流和輸出電壓以一定的斜率上升，輸出電壓上升的時(shí)間由Cs的電流控制，Cs的電流由R2和三極管T的VBE確定。輸出電壓恒定后，Cs不再流過電流，對(duì)直流阻斷，T關(guān)斷電路正常工作。上升時(shí)間為：
此電路在輸出過載或短路保護(hù)后，系統(tǒng)重啟時(shí)，也能提供軟起動(dòng)，但要注意是的：當(dāng)輸出作大的負(fù)載跳變?nèi)鐫M載或短路到空載，輸出產(chǎn)生的上升沿會(huì)觸發(fā)此電路工作，導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)位重新起動(dòng)，這在系統(tǒng)的要求中是不允許的。
3. 二種新型外部軟起動(dòng)電路
圖2中列出了2種新的外部軟起動(dòng)電路，這2種軟起動(dòng)電路都是電壓跟蹤型軟起動(dòng)方式。
圖2. 二種外部軟起動(dòng)電路
在圖2(a) 中有時(shí)此電容用作前饋電容，增加系統(tǒng)的動(dòng)特性，當(dāng)用作前饋電容時(shí)，其值很小，不大于1nF。若此電容作軟起動(dòng)，其值很大，0.01~10uF。工作原理如下，沒有此電容時(shí)，輸出電壓由R1和R2分壓后再輸入到放大器，在起動(dòng)過程中，輸出電壓低，因此，分壓后的電壓更低，放大器輸出高電平。加上此大電容后，在起動(dòng)過程中，電容瞬態(tài)的短路，其導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)，因此R1短路，這樣輸出電壓沒有經(jīng)過R1和R2分壓，直接加到放大器的輸入端，相比而言，放大器輸出電平就較低，因此實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)。在輸出過載或短路保護(hù)后，系統(tǒng)重啟時(shí)，R1可以對(duì)Cs放電，也可以提供軟起動(dòng)。由于使用較大的電容才能提供軟起動(dòng)，這將影響系統(tǒng)反饋環(huán)，動(dòng)特性變差。軟起動(dòng)時(shí)間為：
基于上面的公式，可以針對(duì)要求的軟起動(dòng)時(shí)間選擇合適的元件參數(shù)。此電路的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單，方便，注意的是應(yīng)用中要檢查系統(tǒng)的動(dòng)特性在要求的范圍。另外當(dāng)輸出電壓低時(shí)，電容電壓變化值小，充電時(shí)間短，無法提供有效軟起動(dòng)保護(hù)。
圖2(b) 的電路基于運(yùn)放的電路可以在各種條件下提供軟起動(dòng)保護(hù)，輸出電壓通過電阻分壓器接在運(yùn)放的同相端，同時(shí)，輸出電壓通過RC電路接在運(yùn)放的反相端，輸出電壓升高時(shí)，上電時(shí)，反相端由于電容充電短路的影響，同相端的電壓大于反相端，運(yùn)放輸出高電壓，通過二極管加在FB管腳上，VITH的電壓為低電壓，在反相端電容充電過程中，VITH的電壓一直保持在較低的值，實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)。輸出電壓繼續(xù)升高，電容繼續(xù)充電，反相端電壓上升，當(dāng)輸出電壓快接近正常值后，反相端電壓將大于同相端，運(yùn)放輸出低電壓，二極管反偏，此電路不再起作用。當(dāng)輸出短路時(shí)，并聯(lián)在R3的二極管對(duì)Cs放電，從而為復(fù)位后下一次的軟起動(dòng)做準(zhǔn)備。當(dāng)輸出電壓翻轉(zhuǎn)時(shí)，放大器的同相端電壓和反相端電壓相等：
放大器的同相端電壓為：
放大器的反相端電壓為：
所以，軟起動(dòng)時(shí)間為：
基于上面的公式，可以針對(duì)要求的軟起動(dòng)時(shí)間選擇合適的元件參數(shù)。
4. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
輸入電壓12V，輸出3.3V/
可以明顯的看到，沒有加前饋軟起動(dòng)電容時(shí)，輸出電壓波形在上升過程中有一個(gè)臺(tái)階，同時(shí)軟起動(dòng)時(shí)間約為3ms，加了0.1uF前饋軟起動(dòng)電容后，輸出電壓波形在上升過程中沒有臺(tái)階，軟起動(dòng)時(shí)間為約為13ms。通過改變此電容的大小，可以調(diào)節(jié)軟起動(dòng)的時(shí)間。
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