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2016.07.26 DC/DC

保护功能/可编程功能

开关稳压器的基础

DC/DC转换器除了理所当然向电路供给电源外,确保电路安全也很重要。近年,DC/DC转换器用的IC几乎都搭载了被认为必备的保护功能。有些保护功能可以由用户调整阈值等支持各种条件。此外,电源电路要支持使用CPU或FPGA等的复合电源的装置对电源接入的顺序和时序需求。为此,具备可编程功能的电源IC。虽然外置电路也可以实现IC所搭载的保护功能或可编程功能,但其设计比电源IC要复杂得多,且需要增加许多零件,并不可行。在这里,介绍代表性保护功能和可编程功能的概述。

保护功能:热关断
热关断是IC的结温达最大额定,就是Tj max的前后时关断电路工作的构造。工作的结温因IC而异,大多被设定在Tj max的前后。关断后的工作模式有自动恢复型和闭锁型2种。

图51

图51

自动恢复型当温度上升至所设定的阈值时关断,温度开始下降至设定值时则IC的工作将自动恢复。闭锁型即使温度下降IC的工作也会处于关断。要使IC再次工作必须重新输入IC的电源。

此两种的关断后的工作模式须在考虑应用的安全设计后选择使用。另外,ROHM的IC由于Tjmax是150℃,所以再加25℃的175℃大多会热关断。重要的确认事项是,热关断功能是为了防止损害时IC本身冒烟或出火的功能,不是保护供电基板或设备的功能。

保护功能:防止低电压误动作
防止低电压误动作功能(Under Voltage LockOut)大多取英文头字称为UVLO。当输入电压在IC的输入电压范围以下时,IC会停止输出来保护本身的输出晶体管或负载。当输入电压在IC的工作电压以下时,电路将产生无法预料的工作,在送出异常输出前强制停止电路工作。几乎所有电源IC都搭载UVLO以防止无法预料的故障。

图52

图52

图53

图53

保护功能:过电流保护
过电流保护是在输出电流高于阈值时限制输出电流来防止IC或负载烧毁的功能。如果监控线圈电流后检测超过限制值时,则通过缩短上侧开关的ON时间降低输出来限制电流。虽然过电流状态持续时IC会继续限制电流,不过请记住,限制值的电流,也就是过电流仍会继续流向负载。电流值恢复正常时,IC也会恢复正常工作。

图54

图54

保护功能:短路保护
短路保护大多与过流保护搭配使用,因此有些IC干脆不加以区分而作为过流保护的功能。前述过电流如果进一步变多的话,保护电路将进一步降低输出电压。当处于规定电压以下的状态到达某时间以上时,保护电路将停止开关工作变为零。此保护功能也有自动恢复型和闭锁型,自动恢复型在数百毫秒后会再度开始开关使电压输出。此时,如果过电流原因被排除且过电流不流动的话则为正常工作,如果再度进入过电流状态的话输出将反复ON/OFF。闭锁型将使输出保持在零状态,直到重新输入IC电源才会恢复。这也和热关断一样,必须在考虑应用的安全设计后选择使用。

保护功能:过电压保护
电源线有可能因某些原因短路使大电流流动后再度恢复时输出电压瞬间过冲,尤其是CPU等IC由于工作电压和绝对最大额定的幅度小,故有可能会因过冲的过电压而破坏IC。过电压保护将监控输出电压,如果检测出规定值以上的电压时会将上侧开关设为OFF并停止功率供给。但是,如果只是停止功率供给的话,电感所蓄积的电荷将被放出而使电压持续上升,因此将下侧开关设为ON后将电感的电荷释放至GND,防止输出上升。

图55

图55

可编程功能:关断
关断功能是指将IC控制部的工作设为ON/OFF。当电路不需要功率时,而且为POL(Point Of Load:基板上只有一部电路或装置的电源)的话,通过与负载的要求连动进行关机,将有助于削减功耗或待机功率。

图56

图56

可编程功能:软启动
软启动是为了防止启动时的浪涌电流而让输出电压的启动拥有时间常量使其上升的功能。必须注意的是,当浪涌电流产生时IC的过流保护会工作,有时会发生电源不启动(过热闭锁状态)的问题。软启动的时间常量分IC内部固定型和备有调整引脚可通过外置电容器设定的类型。

可编程功能:电源正常输出
电源正常是指当输出到达所设定的电压值时释出Flag的功能通过通知CPU电源启动没有问题,或与使能功能组合来排序多个电源的启动。图57是使用电源正常和使能让电源按照从电源1到电源3顺序启动的时序结构例。

图57

图57

图58

图58

可编程功能:跟踪
跟踪是可以设定多个电源启动顺序和时序的功能。通过使多个电源输出依据所要求的顺序启动,可确保电路或装置的安全。跟踪有同时跟踪、比例跟踪、偏置跟踪3种。

图59

图59

同时跟踪是指所有电源同时为ON并以相同斜率启动,从低电压的电源依据顺序到达设定电压。这有助于以FPGA等启动低电压内核电源后,启动外围I/O电源的应用。

比例跟踪(Ratiometric)是指以各自不同的斜率启动。这是调整斜率不让浪涌电流大量流入各电源线去耦电容器的方法。

偏置跟踪是指边启动边维持各电源间偏置电压(电压差)的固定。该方法对有规定电源电压间差距的装置有效。

一般来说,要进行这些控制须使用可编程控制器IC或跟踪控制器IC。有些电源IC内置跟踪功能,可利用主动电源的输出电压来控制从动。

图60:使用可编程控制器IC控制例

图60:使用可编程控制器IC控制例

图61:内置跟踪功能使用例

图61:内置跟踪功能使用例

关键要点:

・各功能都可搭载于IC,但有无搭载须视IC而定。

・保护功能须理解对输入侧、输出侧、IC本身进行什么保护、哪种工作。

・简单的可编程功能内置于IC、复杂的则另置于其他IC。

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