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如何全面做好過壓保護？淺談開關電源OVP功能
時間:2023-12-29
來源: 芯洲科技
為應對復雜應用環境，開關電源內部集成了多種保護功能，常見的有過流保護、過溫保護、輸入欠壓保護及輸出過壓保護等。過流及過溫保護主要對IC進行保護，防止芯片燒毀；輸出過壓保護則是為了確保各種應用條件下的輸出電壓穩定，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。
由于負載波動等原因，電源很可能會出現過壓情況。過壓幅度和持續時間是電源設計時時的要考慮的因素，本文將對輸出過壓可能出現的情況以及解決方式進行展開。
PART1 輸出啟動
無軟啟動帶來影響
開關電源剛啟動時輸出電壓為0，當沒有輸出軟啟動時，反饋環路將快速調節使開關電源以最大輸出能力為輸出電壓充電。由于環路響應速度原因，當輸出電壓到達設定值后占空比會在一段時間后才降低到正常狀態（比如電流模式控制的COMP電壓調整）。占空比調節期間輸出將出現過壓，過壓大小與占空比調節速度相關。
啟動電路實現方式
針對此情況開關電源通常會設計軟啟動電路。通過軟啟動電路實現輸出電壓緩慢升高到設定值，從而防止輸出過壓。
軟啟動電路實現方式多種多樣，降壓轉換器軟啟動電路實現以SCT2432Q為例。如圖1所示，SCT2432Q內部反饋誤差放大器（EA）除反饋電壓FB和基準電壓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行比較。SS電壓通過內部恒流源（典型值3uA）對外部電容充電所產生，剛啟動時時SS電壓從0開始緩慢增加，反饋電壓FB與SS電壓進行比較實現FB跟隨SS電壓即實現輸出電壓的線性上升。
可根據上電時序要求、輸出電容大小等因素選取SS電容以滿足系統要求。
圖1 SCT2432Q內部軟啟動邏輯框圖
圖2_SCT2432Q Vout與SS電壓等比例對應
PART2 負載快速階躍
負載階躍過壓產生原因
在開關電源工作過程中，當后級負載突然斷開或快速降低時，輸出電壓可能會出現過沖現象。產生原因如下：
當穩態工作時電感電流平均值與負載電流相同。當負載突然減小時，轉換器通過調節占空比降低電感電流平均值。如果負載變化緩慢降低（電感電流速度與負載變化速度相同）則輸出電壓不會出現過壓；但當負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過沖。
常見OVP功能實現方式
加快環路調節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，內部集成過壓保護比較器，當反饋電壓FB值大于基準電壓VREF的110%時（反應時間uS級），過壓保護比較器翻轉鉗位內部邏輯使開關管停止震蕩，供電端能量無法傳遞到輸出端，從而實現過壓保護。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內部OVP功能邏輯框圖
圖4 SCT2432Q負載快速跳變過壓保護功能
PART3 最小占空比限制
對于BUCK、BOOST電路而言通常最小導通時間限制了最小占空比。
根據伏秒平衡公式可計算當前輸入條件下轉換的最小輸出電壓，當設置電壓＜最小輸出電壓時，將出現過壓現象。此時更多由OVP功能進行保護，輸出電壓升高至OVP高閾值時停止開關，輸出電壓下降；當下降至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。此情況多出現于高頻小轉換比工作狀態。
圖5 SCT2432Q 最小占空比限制工作狀態
PART4 輸入電壓大幅度快速變化
輸入電壓變化導致輸出過壓
某些復雜工況下輸入電壓會出現大幅度快速變化，汽車應用常見的發動機啟動瞬間線路存在壓降（波形參考ISO 7637-2 PULSE 4），對于一級DCDC轉換器，此時輸入電壓由正常值跌落然后快速恢復。
若輸入電壓跌落最低值＜輸出電壓設定值，且輸入＞欠壓閾值，此時轉換器將調節至最大占空比狀態；當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；當反饋電壓FB升高至基準電壓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，輸出電壓進一步升高。容易出現高于110%設定值輸出電壓，對后級負載產生損壞的可能；如果后級負載處于輕載狀態，輸出電壓需要較長時間才能回復至正常值。
解決方案
針對此問題，芯洲科技40V車規級DCDC轉換器SCT2434A/CQ通過優化控制方法，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，可實現輸出電壓的緩慢恢復。
圖6 SCT2434CQ輸入電壓跳變 無過壓現象存在
（頻率2.1M 電感2.2uF輸出電容44uF）
開關電源出現過壓現象的條件多種多樣，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，芯洲科技將不斷更新產品、優化設計以適應各種嚴苛應用。以更加全面的保護功能，涵蓋更多復雜應用場景，提高輸出電壓穩定度，為負載提供更加安全可靠的電源。
SCT2434A/CQ
□ 輸入電壓：3.6-36V
□ 負載能力：3A
□ 頻率：400KHz（AQ）&2.1MHz（CQ）
□ 內置4mS軟啟動
□ 25uA低靜態電流
□ 第二代LDO模式
□ 采用2mm*3mm QFN-12L封裝
SCT2434A/CQ即將量產，如有需求可以提供樣片測試，申請樣片或訂購可聯系銷售或郵件至：sales@silicontent.com。
