DC-DC在車載產(chǎn)品應(yīng)用中如何避免沖擊電壓的產(chǎn)生
本人在車載多媒體收音機(jī)設(shè)計(jì)中,使用了MITSUMI公司推出的DC-DCMM3630XV,為iPhone、iPad 及其余移動(dòng)設(shè)備的在乘用車上的充電電源或者U 盤及移動(dòng)硬盤等移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備供電,該輸出電源規(guī)格為: 輸出電壓(+5±5%)V,以USB 接口方式輸出(最大2.5 A)。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202306/447255.htm1 DC-DC應(yīng)用初期電路設(shè)計(jì)
+5 V 輸出電源系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖1、應(yīng)用電路見(jiàn)圖2,MM3630XV 管腳定義見(jiàn)表1。
圖1
圖2
表1
1.1 供電系統(tǒng)說(shuō)明
由車載電池KL30 經(jīng)過(guò)一定的濾波處理后連接芯片的Pin18、19,作為DC-DC MM3630XV 的輸入電壓,經(jīng)過(guò)3 顆1% 精度的反饋電阻R354=10 k、R355=1.8 k、R356 = 2.2k 的分壓產(chǎn)生FB 反饋信號(hào)設(shè)定最大帶載2.5 A 的+5 V 的輸出電壓(見(jiàn)圖3、圖4),最終通過(guò)USB 接口輸出給外部設(shè)備進(jìn)行車上充電或者U 盤等移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備提供+5 V 供電。
圖3
圖4
1.2 驗(yàn)證過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題點(diǎn)
在汽車點(diǎn)火啟動(dòng)過(guò)程中,出現(xiàn)一定概率U 盤損壞的嚴(yán)重問(wèn)題。
1.3 波形分析
在汽車點(diǎn)火啟動(dòng)過(guò)程,電池輸出電壓即MM3630XV 的輸入電壓在短時(shí)間內(nèi)快速發(fā)生高低波動(dòng)(見(jiàn)圖7 及表2),于此同時(shí),MM3630XV 的輸出電壓產(chǎn)生了11 V 的瞬態(tài)沖擊電壓(見(jiàn)圖6)。
圖6
圖7
表2 參數(shù)和規(guī)格對(duì)照表
1.4 原因分析
1.4.1 MM3630XV內(nèi)部框圖及說(shuō)明
在圖8 的是依托中,1 為輸出電容,2 為BS-SW電壓檢測(cè)回路,3 是MM3630XV IC 外部泄放電阻,4是MM3630XV IC 內(nèi)部泄放電阻,5 是Soft start 回路,6 是Hide-Side FET。
1.4.2 正常啟動(dòng)時(shí)序圖
1)正常啟動(dòng)時(shí)序說(shuō)明
1.4.3 產(chǎn)生沖擊的異常啟動(dòng)時(shí)序圖
1)異常啟動(dòng)時(shí)序說(shuō)明
圖8
圖9 正常啟動(dòng)的時(shí)序圖
圖10 產(chǎn)生沖擊的異常啟動(dòng)時(shí)序圖
1.4.4 沖擊發(fā)生的詳細(xì)機(jī)理
1)BS-SW 引腳間電壓檢測(cè)
IC 內(nèi)置有BS-SW 間電壓檢測(cè)回路。當(dāng)BS-SW 間電壓> 4 V,High-side FET 管打開(kāi),對(duì)SW進(jìn)行升壓,保證Vout 輸出。
2)電壓反饋
作為ERROR AMP 回路的輸入引腳,F(xiàn)B 反饋電壓跟蹤 SS 電壓(VREF ≦ 0.8 V 典型值),當(dāng)FB 電壓同步跟隨SS電壓一起達(dá)到0.8 V 時(shí),此時(shí)如果High-Side FET 導(dǎo)通則輸出Vout = 5 V。出現(xiàn)輸出產(chǎn)生沖擊電壓的條件是:當(dāng)SS 電壓>FB 電壓,重新啟動(dòng)后FB 電壓還在放電至0.16 V 的過(guò)程中,當(dāng)FB 放電完成后會(huì)快速跟隨SS 電壓上升,導(dǎo)致輸出出現(xiàn)過(guò)電壓狀態(tài)。( 詳見(jiàn)1.6.3 異常時(shí)序)
綜上MM3630XV 的輸出產(chǎn)生高電壓電平需同時(shí)滿足下記兩個(gè)條件:
1)VSS >> VFB;( 此條件可以理解成,當(dāng)VSS 已經(jīng)達(dá)到0.8 V 時(shí),VFB 還在放電或者剛放電至0.16 V);
2)(VBS-VSW) > 4 V。
圖11
圖12
1.5 對(duì)策分析
圖13
1.5.1 VFB的放電過(guò)程及VSS的充電過(guò)程分析
1)放電電容
圖14
2)VFB的IC外部放電電阻
圖15
3)內(nèi)部放電電阻
圖16
4)軟啟動(dòng)時(shí)間
軟啟動(dòng)時(shí)間如應(yīng)用指南所示,是由軟啟動(dòng)充電電流和SS-GND 引腳間電容決定的,各自的精度如圖17所示。
圖17
2 小結(jié)
參數(shù)偏差整理結(jié)果歸納如圖18 所示。
圖18
其中:
1)①③④影響Vout 放電時(shí)間的參數(shù);
2)②影響開(kāi)關(guān)起點(diǎn)的參數(shù)(High-side FET);
3)⑤影響Vss 電壓?jiǎn)?dòng)時(shí)間參數(shù).
2.1 計(jì)算輸出放電時(shí)間
輸出放電時(shí)間可用輸出電容、放電電阻、開(kāi)關(guān)起點(diǎn)(電壓) 計(jì)算出來(lái)。
( 放電時(shí)間) = ( 輸出電容)×( 放電電阻)×ln (VOUT/開(kāi)關(guān)啟動(dòng)電壓) 例:VOUT=5 V、開(kāi)關(guān)啟動(dòng)電壓= 1 V 時(shí)
ln (VOUT/開(kāi)關(guān)啟動(dòng)電壓) = ln (5 V/1 V) = ln5
由于1.5.1 中第2 部分的RFB電阻阻值遠(yuǎn)大于1.5.1中第3 部分的IC 內(nèi)部放電電阻,所以可以忽略CE=L階段的放電時(shí)間,直接按照上述公式計(jì)算Vout的放電時(shí)間,即得圖19 的結(jié)果。所以Vout放電至0.16 V最長(zhǎng)時(shí)間TFB為29ms。
圖19
2.2 計(jì)算軟啟動(dòng)時(shí)間
軟啟動(dòng)時(shí)間20% 的時(shí)間TSS,即從啟動(dòng)到0.16 V 的時(shí)間。(0.16 V/0.8 V = 20%)
Css=0.015 μF, Tss=Css *U/I 得出結(jié)果如圖20。
圖20
可見(jiàn)此時(shí)TSSmin(= 0.5 ms)<<TFB(= 29 ms), 在CE由H→ L→H 的快速變化過(guò)程中,會(huì)導(dǎo)致沖擊電壓的產(chǎn)生。
3 對(duì)策
將Css 從0.015 μF調(diào)整為1 μF后再計(jì)算,可得圖21 的結(jié)果。
圖20
TSSmin(= 30 ms)> TFB(= 29 ms)
3.1 軟啟動(dòng)電容調(diào)節(jié)后實(shí)機(jī)驗(yàn)證
圖22
4 結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)調(diào)整Css電容,延長(zhǎng)了Vss的充電時(shí)間,規(guī)避了在IC再啟動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生沖擊的必要條件:VSS>>VFB,從而有效的抑制了沖擊產(chǎn)生。
通過(guò)該案例的啟示,研發(fā)人員在DC-DC 應(yīng)用過(guò)程中,需充分考慮使用條件,特別是在供電系統(tǒng)易產(chǎn)生波動(dòng)的環(huán)境中,要對(duì)Soft start 電容及Vout 泄放電阻的阻值及放電時(shí)間進(jìn)行合理的理論計(jì)算,對(duì)上電、掉電時(shí)序進(jìn)行充分的驗(yàn)證,才能避免類似的沖擊產(chǎn)生,保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可靠性。
參考文獻(xiàn):
[1] 任艷頻.DC-DC變換電路原理及應(yīng)用入門[M].北京:清華大學(xué)出版社.
[2] 曲學(xué)基,曲敬鎧,于明揚(yáng).電力電子元器件應(yīng)用手冊(cè)[M].北京:電子工業(yè)出版社.
(本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年5月期)
評(píng)論