Buck變換器電流和電壓跟蹤型軟起動電路設(shè)計
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管腳來設(shè)定軟起動時間，而有些內(nèi)部集成的數(shù)字或模擬的定時器固定了軟起動時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)，有外部軟起動管腳的芯片有時因?yàn)閮?nèi)部軟起動電容的放電電路不能及時將軟起動電容的電荷放掉，導(dǎo)致系統(tǒng)重起時過流保護(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時間的芯片有時卻不能滿足一些應(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的軟起動延時；在汽車電子系統(tǒng)中，輸出電壓需要一個超極大電容，從而在電源掉電時或電機(jī)拋負(fù)載時，保證系統(tǒng)所需要的維持時間；[1] 無線上網(wǎng)卡中，輸出電壓更是需要一個超極大電容，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，若軟起動時間不夠，就會在系統(tǒng)的起動中產(chǎn)生問題，本文將討論這些問題并給出相應(yīng)的外部軟起動電路。
1. 軟起動電路工作原理
對于電流模式的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)電流反饋信號的參考值，在起動過程中，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)熱會損壞芯片，因此通常電源芯片需要一些保護(hù)電路，在起動的過程中，讓占空比逐漸的增大，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軟起動。[2] [3]
軟起動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的過程中，讓VITH的電壓隨時間的延長緩慢的增加，也就是在ITH管腳加一個電容，在上電的過程中，一個電流源緩慢對電容充電，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，就限制了起動過程的浪涌電流，同時占空比也逐漸的增大，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軟起動。當(dāng)起動過程完成后，通過一個電路將電容的電荷放掉，以實(shí)現(xiàn)下一次的軟起動。電壓跟蹤型就是在起動的過程中，讓輸出誤差電壓放大器的固定參考電壓VREF不起作用，由另外的一個隨時間的延長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，從而限制了起動過程的浪涌電流，同時占空比也逐漸的增大，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軟起動。當(dāng)起動過程完成后，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)，而隨時間變化的另外一個參考電壓不再起作用。
上面分析表明：電壓跟蹤型軟起動電路在起動過程中實(shí)時跟蹤輸出電壓的變化，因此它比電流跟蹤型軟起動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)字或模擬的軟起動定時器，因此軟起動時間不能調(diào)節(jié)。圖1中列出了常用的3種常用的外部軟起動電路，這3種常用的軟起動電路都是電流跟蹤型軟起動方式。
在圖1(a)，在上電的過程中，輸入電壓通過電阻對電容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，軟起動過程結(jié)束。二極管D導(dǎo)通將VITH的電壓較長的時間箝位在較低的值，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)上電的軟起動。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才能進(jìn)行軟起動。在輸出過載或短路保護(hù)后，系統(tǒng)重啟時，無法提供軟起動。
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保護(hù)。同樣，也只能在系統(tǒng)輸入電源斷電后再上電時才能進(jìn)行軟起動。在輸出過載或短路保護(hù)后，系統(tǒng)重啟時，無法提供軟起動。
圖1. 常用的三種外部軟起動電路
圖1 (c)中，當(dāng)電源起動時，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，對直流阻斷，T關(guān)斷電路正常工作。上升時間為：
此電路在輸出過載或短路保護(hù)后，系統(tǒng)重啟時，也能提供軟起動，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)生的上升沿會觸發(fā)此電路工作，導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)位重新起動，這在系統(tǒng)的要求中是不允許的。
3. 二種新型外部軟起動電路
圖2中列出了2種新的外部軟起動電路，這2種軟起動電路都是電壓跟蹤型軟起動方式。
圖2. 二種外部軟起動電路
在圖2(a) 中有時此電容用作前饋電容，增加系統(tǒng)的動特性，當(dāng)用作前饋電容時，其值很小，不大于1nF。若此電容作軟起動，其值很大，0.01~10uF。工作原理如下，沒有此電容時，輸出電壓由R1和R2分壓后再輸入到放大器，在起動過程中，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，在起動過程中，電容瞬態(tài)的短路，其導(dǎo)通時間長，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。在輸出過載或短路保護(hù)后，系統(tǒng)重啟時，R1可以對Cs放電，也可以提供軟起動。由于使用較大的電容才能提供軟起動，這將影響系統(tǒng)反饋環(huán)，動特性變差。軟起動時間為：
基于上面的公式，可以針對要求的軟起動時間選擇合適的元件參數(shù)。此電路的特點(diǎn)是簡單，方便，注意的是應(yīng)用中要檢查系統(tǒng)的動特性在要求的范圍。另外當(dāng)輸出電壓低時，電容電壓變化值小，充電時間短，無法提供有效軟起動保護(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，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，上電時，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。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，并聯(lián)在R3的二極管對Cs放電，從而為復(fù)位后下一次的軟起動做準(zhǔn)備。當(dāng)輸出電壓翻轉(zhuǎn)時，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，軟起動時間為：
基于上面的公式，可以針對要求的軟起動時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，沒有加前饋軟起動電容時，輸出電壓波形在上升過程中有一個臺階，同時軟起動時間約為3ms，加了0.1uF前饋軟起動電容后，輸出電壓波形在上升過程中沒有臺階，軟起動時間為約為13ms。通過改變此電容的大小，可以調(diào)節(jié)軟起動的時間。
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