DC/DC转换器设计中浪涌电流的限制措施

 现代开关DC/DC转换器设计中的电容器喷洒可在模块启动时产生高浪涌电流。除了元件损坏和系统故障的风险之外，这种浪涌电流还会给试图在便携式产品中最大化电池寿命的工程师带来麻烦的问题。

本文介绍了为什么会出现浪涌电流，如何影响电池寿命，以及现代电源模块制造商为限制问题所采取的措施。

什么是浪涌电流?

开关DC/DC转换器通常具有多个电容器。例如，一个器件构成电磁干扰(EMI)输入滤波器的一部分，用于限制输入环路(图1)中电流产生的干扰，而另一个器件位于输出侧，以限制电压纹波。

 

 

图1：主电源和开关稳压器之间低通输入EMI滤波器的原理图。电容器在启动期间充电，导致高浪涌电流(德州仪器公司提供)。

当转换器首次接通时，这些未充电的电容充当虚拟短路，允许电流迅速升级。电流尖峰只有在各种电容器充电时才会持续，但它可以达到峰值，远远超过转换器即使在满载情况下也会经历的峰值。限制尖峰幅度的唯一特性是线路阻抗和电容器的等效串联电阻(ESR)。

不受控制的浪涌尖峰可能会造成严重破坏。在第一种情况下，组件可能被损坏或敏感的硅被干扰，从而发生系统错误。但这不是全部;在具有适度电源的便携式设备中，工程师为最大化电池寿命所做的所有好工作都可以通过任意电流行为来解决。¹

启动失败

电池在放电周期中的行为发生变化。当电池放电时，其内部电阻升高，电池可以提供给负载的电压下降。请注意，容量和电源电压之间的关系不是线性的。当电池接近其寿命时，电压会迅速下降(图2)。

 

 

图2：1.5 V的放电曲线恒定负载下的AA碱性电池(由Energizer提供)。

DC/DC转换器需要最低电压才能正常工作。为确保电源模块不会尝试低于该限制，制造商将欠压锁定机制纳入其产品中。部分耗尽的电池提供大的浪涌电流将难以应对，其电源电压可能会降至欠压阈值以下 - 导致产品无法启动。

更糟糕的是，电池可能会恢复，这样设备的电池电量表指示它仍然有剩余容量，只有当用户再次尝试打开产品时，过程才会重复。可能的结论是，在询问产品制造商的电池寿命声明时，所有者将更换可维修的电池。工程师为最大限度地提高产品效率以延长电池寿命所做的所有工作都将被浪费掉。¹

软启动解决方案

硅供应商提升开关电源模块的高效率是其中一个关键原因用于为电池供电的产品选择这样的部件。因此，他们并不热衷于看到浪涌电流所抵消的高效率所带来的额外电池寿命。

供应商的答案是实施软启动制度。简单来说，软启动控制电流积累的速率，并使其不会超过既不会对元件施加应力也不会导致系统故障的预定值。

降压(“降压”)转换器有时使用简单的软启动方案，该方案依赖于最大电流检测器。在固定时间或设定输出电压后释放最大电流限制。优点是芯片始终保持正常工作模式;然而，缺点是电流仍然可以迅速增加(即使峰值有限)，导致电池电压下降，并且如果电池剩余容量很小，则欠电压机制启动。

降压转换器的另一种方法是限制输出电压增加的速率并防止其超过设定点(或至少最小化过冲)。这限制了浪涌电流升高的速率，并有助于防止电池电压骤降，以至于欠压机制触发.2升压(“升压”)转换器往往具有更复杂的启动操作。例如，德州仪器(TI)的TPS6107x系列升压转换器具有三相软启动功能。在第一阶段，内部同步FET工作在其线性区域，并提供固定的直流电流为输出电容充电到一个几乎等于输入电压的值。如果在阶段1结束时，输出电压仍然低于1.8 V，则器件切换到阶段2，在此阶段以70%的占空比工作，直到输出电压大于1.8 V.(如果输出电压在阶段1结束时大于1.8 V，然后跳过阶段2。)

在软启动的第三阶段，误差放大器接管并根据输入和输出电压切换到正常占空比。在此周期内，电流限制降至额定电流限值的50%，以最大限度地减少浪涌电流。当输出电容最终充电至标称输出电压时，器件以标准电流限制开始正常工作。图3说明了软启动如何防止输出电压过快上升。

 

 

图3：TPS61070软启动到50Ω负载。注意Vout的受控增加，其缓慢地对输出电容器充电，限制浪涌电流(由Texas Instruments提供)。

设置最大电流阈值

最大电流阈值和输出电压设定点将根据应用而变化。一些制造商通过允许工程师选择最大电流使得单个转换器可用于各种应用，使模块选择更容易。

例如，AMS的AS1326升压转换器允许选择启动期间的最大电流和软启动时间常数。图4显示了实现的软启动电路。工程师选择两个电阻(Rss和Rss2)和一个电容(Css)来设置电流限制(ILIMIT)和时间常数(tss)。

 

 

图4：软启动的电流限制和时间常数可以通过简单的应用电路实现，用于AMS的AS1326。

其他制造商提供具有软启动功能的开关DC/DC转换器。例如，Maxim Integrated Products为其广泛的软启动DC/DC转换器提供MAX5073。这是一款2.2 MHz双输出降压或升压转换器，内置数字软启动功能。该公司声称该机制可降低浪涌电流，消除输出电压过冲，并确保上电期间输出电压的单调上升。

凌力尔特公司在其产品中提供具有软启动功能的LTC3609。该模块是降压DC/DC转换器，可通过4至32 V输入电源提供高达6 A的输出电流。软启动功能使用外部定时电容完成，转换器的电流限制可由用户编程。

总之，浪涌电流是电源开启时电流消耗的尖峰。人们自然担心高尖峰电流会在相邻电路中产生电磁干扰，或使上游断路器跳闸或固态电源控制器的过电流保护。

正如我们所见，DC/DC转换器可采用良好控制的内部启动序列和精确的输出电压软启动功能。电压软启动功能可确保输出以受控方式斜坡上升，dv/dt有限。本文重点介绍了几个这样的部件，以及供应商允许在启动期间选择最大电流以及软启动时间常数的部件。