DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中浪涌電流的限制措施

現(xiàn)代開關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中的電容器噴灑可在模塊啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生高浪涌電流。除了元件損壞和系統(tǒng)故障的風(fēng)險(xiǎn)之外，這種浪涌電流還會(huì)給試圖在便攜式產(chǎn)品中最大化電池壽命的工程師帶來麻煩的問題。

本文介紹了為什么會(huì)出現(xiàn)浪涌電流，如何影響電池壽命，以及現(xiàn)代電源模塊制造商為限制問題所采取的措施。

什么是浪涌電流？

開關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器通常具有多個(gè)電容器。例如，一個(gè)器件構(gòu)成電磁干擾（EMI）輸入濾波器的一部分，用于限制輸入環(huán)路（圖1）中電流產(chǎn)生的干擾，而另一個(gè)器件位于輸出側(cè)，以限制電壓紋波。

圖1：主電源和開關(guān)穩(wěn)壓器之間低通輸入EMI濾波器的原理圖。電容器在啟動(dòng)期間充電，導(dǎo)致高浪涌電流（德州儀器公司提供）。

當(dāng)轉(zhuǎn)換器首次接通時(shí)，這些未充電的電容充當(dāng)虛擬短路，允許電流迅速升級(jí)。電流尖峰只有在各種電容器充電時(shí)才會(huì)持續(xù)，但它可以達(dá)到峰值，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過轉(zhuǎn)換器即使在滿載情況下也會(huì)經(jīng)歷的峰值。限制尖峰幅度的唯一特性是線路阻抗和電容器的等效串聯(lián)電阻（ESR）。

不受控制的浪涌尖峰可能會(huì)造成嚴(yán)重破壞。在第一種情況下，組件可能被損壞或敏感的硅被干擾，從而發(fā)生系統(tǒng)錯(cuò)誤。但這不是全部;在具有適度電源的便攜式設(shè)備中，工程師為最大化電池壽命所做的所有好工作都可以通過任意電流行為來解決。1

啟動(dòng)失敗

電池在放電周期中的行為發(fā)生變化。當(dāng)電池放電時(shí)，其內(nèi)部電阻升高，電池可以提供給負(fù)載的電壓下降。請(qǐng)注意，容量和電源電壓之間的關(guān)系不是線性的。當(dāng)電池接近其壽命時(shí)，電壓會(huì)迅速下降（圖2）。

圖2：1.5 V的放電曲線恒定負(fù)載下的AA堿性電池（由Energizer提供）。

DC/DC轉(zhuǎn)換器需要最低電壓才能正常工作。為確保電源模塊不會(huì)嘗試低于該限制，制造商將欠壓鎖定機(jī)制納入其產(chǎn)品中。部分耗盡的電池提供大的浪涌電流將難以應(yīng)對(duì)，其電源電壓可能會(huì)降至欠壓閾值以下 - 導(dǎo)致產(chǎn)品無法啟動(dòng)。

更糟糕的是，電池可能會(huì)恢復(fù)，這樣設(shè)備的電池電量表指示它仍然有剩余容量，只有當(dāng)用戶再次嘗試打開產(chǎn)品時(shí)，過程才會(huì)重復(fù)?？赡艿慕Y(jié)論是，在詢問產(chǎn)品制造商的電池壽命聲明時(shí)，所有者將更換可維修的電池。工程師為最大限度地提高產(chǎn)品效率以延長(zhǎng)電池壽命所做的所有工作都將被浪費(fèi)掉。1

軟啟動(dòng)解決方案

硅供應(yīng)商提升開關(guān)電源模塊的高效率是其中一個(gè)關(guān)鍵原因用于為電池供電的產(chǎn)品選擇這樣的部件。因此，他們并不熱衷于看到浪涌電流所抵消的高效率所帶來的額外電池壽命。

供應(yīng)商的答案是實(shí)施軟啟動(dòng)制度。簡(jiǎn)單來說，軟啟動(dòng)控制電流積累的速率，并使其不會(huì)超過既不會(huì)對(duì)元件施加應(yīng)力也不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)故障的預(yù)定值。

降壓（“降壓”）轉(zhuǎn)換器有時(shí)使用簡(jiǎn)單的軟啟動(dòng)方案，該方案依賴于最大電流檢測(cè)器。在固定時(shí)間或設(shè)定輸出電壓后釋放最大電流限制。優(yōu)點(diǎn)是芯片始終保持正常工作模式;然而，缺點(diǎn)是電流仍然可以迅速增加（即使峰值有限），導(dǎo)致電池電壓下降，并且如果電池剩余容量很小，則欠電壓機(jī)制啟動(dòng)。

降壓轉(zhuǎn)換器的另一種方法是限制輸出電壓增加的速率并防止其超過設(shè)定點(diǎn)（或至少最小化過沖）。這限制了浪涌電流升高的速率，并有助于防止電池電壓驟降，以至于欠壓機(jī)制觸發(fā).2升壓（“升壓”）轉(zhuǎn)換器往往具有更復(fù)雜的啟動(dòng)操作。例如，德州儀器（TI）的TPS6107x系列升壓轉(zhuǎn)換器具有三相軟啟動(dòng)功能。在第一階段，內(nèi)部同步FET工作在其線性區(qū)域，并提供固定的直流電流為輸出電容充電到一個(gè)幾乎等于輸入電壓的值。如果在階段1結(jié)束時(shí)，輸出電壓仍然低于1.8 V，則器件切換到階段2，在此階段以70％的占空比工作，直到輸出電壓大于1.8 V.（如果輸出電壓在階段1結(jié)束時(shí)大于1.8 V，然后跳過階段2。）

在軟啟動(dòng)的第三階段，誤差放大器接管并根據(jù)輸入和輸出電壓切換到正常占空比。在此周期內(nèi)，電流限制降至額定電流限值的50％，以最大限度地減少浪涌電流。當(dāng)輸出電容最終充電至標(biāo)稱輸出電壓時(shí)，器件以標(biāo)準(zhǔn)電流限制開始正常工作。圖3說明了軟啟動(dòng)如何防止輸出電壓過快上升。

圖3：TPS61070軟啟動(dòng)到50Ω負(fù)載。注意Vout的受控增加，其緩慢地對(duì)輸出電容器充電，限制浪涌電流（由Texas Instruments提供）。

設(shè)置最大電流閾值

最大電流閾值和輸出電壓設(shè)定點(diǎn)將根據(jù)應(yīng)用而變化。一些制造商通過允許工程師選擇最大電流使得單個(gè)轉(zhuǎn)換器可用于各種應(yīng)用，使模塊選擇更容易。

例如，AMS的AS1326升壓轉(zhuǎn)換器允許選擇啟動(dòng)期間的最大電流和軟啟動(dòng)時(shí)間常數(shù)。圖4顯示了實(shí)現(xiàn)的軟啟動(dòng)電路。工程師選擇兩個(gè)電阻（Rss和Rss2）和一個(gè)電容（Css）來設(shè)置電流限制（ILIMIT）和時(shí)間常數(shù)（tss）。

圖4：軟啟動(dòng)的電流限制和時(shí)間常數(shù)可以通過簡(jiǎn)單的應(yīng)用電路實(shí)現(xiàn)，用于AMS的AS1326。

其他制造商提供具有軟啟動(dòng)功能的開關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器。例如，Maxim Integrated Products為其廣泛的軟啟動(dòng)DC/DC轉(zhuǎn)換器提供MAX5073。這是一款2.2 MHz雙輸出降壓或升壓轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置數(shù)字軟啟動(dòng)功能。該公司聲稱該機(jī)制可降低浪涌電流，消除輸出電壓過沖，并確保上電期間輸出電壓的單調(diào)上升。

凌力爾特公司在其產(chǎn)品中提供具有軟啟動(dòng)功能的LTC3609。該模塊是降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器，可通過4至32 V輸入電源提供高達(dá)6 A的輸出電流。軟啟動(dòng)功能使用外部定時(shí)電容完成，轉(zhuǎn)換器的電流限制可由用戶編程。

總之，浪涌電流是電源開啟時(shí)電流消耗的尖峰。人們自然擔(dān)心高尖峰電流會(huì)在相鄰電路中產(chǎn)生電磁干擾，或使上游斷路器跳閘或固態(tài)電源控制器的過電流保護(hù)。

正如我們所見，DC/DC轉(zhuǎn)換器可采用良好控制的內(nèi)部啟動(dòng)序列和精確的輸出電壓軟啟動(dòng)功能。電壓軟啟動(dòng)功能可確保輸出以受控方式斜坡上升，dv/dt有限。本文重點(diǎn)介紹了幾個(gè)這樣的部件，以及供應(yīng)商允許在啟動(dòng)期間選擇最大電流以及軟啟動(dòng)時(shí)間常數(shù)的部件。