DC-DC在車載產(chǎn)品應(yīng)用中如何避免沖擊電壓的產(chǎn)生

本人在車載多媒體收音機(jī)設(shè)計(jì)中，使用了MITSUMI公司推出的DC-DCMM3630XV，為iPhone、iPad 及其余移動(dòng)設(shè)備的在乘用車上的充電電源或者U 盤及移動(dòng)硬盤等移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備供電，該輸出電源規(guī)格為: 輸出電壓（+5±5%）V，以USB 接口方式輸出（最大2.5 A）。

1 DC-DC應(yīng)用初期電路設(shè)計(jì)

+5 V 輸出電源系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖1、應(yīng)用電路見(jiàn)圖2，MM3630XV 管腳定義見(jiàn)表1。

圖1

圖2

表1

1.1 供電系統(tǒng)說(shuō)明

由車載電池KL30 經(jīng)過(guò)一定的濾波處理后連接芯片的Pin18、19，作為DC-DC MM3630XV 的輸入電壓，經(jīng)過(guò)3 顆1% 精度的反饋電阻R354=10 k、R355=1.8 k、R356 = 2.2k 的分壓產(chǎn)生FB 反饋信號(hào)設(shè)定最大帶載2.5 A 的+5 V 的輸出電壓（見(jiàn)圖3、圖4），最終通過(guò)USB 接口輸出給外部設(shè)備進(jìn)行車上充電或者U 盤等移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備提供+5 V 供電。

圖3

圖4

1.2 驗(yàn)證過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題點(diǎn)

在汽車點(diǎn)火啟動(dòng)過(guò)程中，出現(xiàn)一定概率U 盤損壞的嚴(yán)重問(wèn)題。

1.3 波形分析

在汽車點(diǎn)火啟動(dòng)過(guò)程，電池輸出電壓即MM3630XV 的輸入電壓在短時(shí)間內(nèi)快速發(fā)生高低波動(dòng)（見(jiàn)圖7 及表2），于此同時(shí)，MM3630XV 的輸出電壓產(chǎn)生了11 V 的瞬態(tài)沖擊電壓（見(jiàn)圖6）。

圖6

圖7

表2 參數(shù)和規(guī)格對(duì)照表

1.4 原因分析

1.4.1 MM3630XV內(nèi)部框圖及說(shuō)明

在圖8 的是依托中，1 為輸出電容，2 為BS-SW電壓檢測(cè)回路，3 是MM3630XV IC 外部泄放電阻，4是MM3630XV IC 內(nèi)部泄放電阻，5 是Soft start 回路，6 是Hide-Side FET。

1.4.2 正常啟動(dòng)時(shí)序圖

1）正常啟動(dòng)時(shí)序說(shuō)明

1.4.3 產(chǎn)生沖擊的異常啟動(dòng)時(shí)序圖

1）異常啟動(dòng)時(shí)序說(shuō)明

圖8

圖9 正常啟動(dòng)的時(shí)序圖

圖10 產(chǎn)生沖擊的異常啟動(dòng)時(shí)序圖

1.4.4 沖擊發(fā)生的詳細(xì)機(jī)理

1）BS-SW 引腳間電壓檢測(cè)

IC 內(nèi)置有BS-SW 間電壓檢測(cè)回路。當(dāng)BS-SW 間電壓> 4 V，High-side FET 管打開(kāi)，對(duì)SW進(jìn)行升壓，保證V_out 輸出。

2）電壓反饋

作為ERROR AMP 回路的輸入引腳，F(xiàn)B 反饋電壓跟蹤 SS 電壓（V_REF ≦ 0.8 V 典型值），當(dāng)FB 電壓同步跟隨SS電壓一起達(dá)到0.8 V 時(shí)，此時(shí)如果High-Side FET 導(dǎo)通則輸出V_out = 5 V。出現(xiàn)輸出產(chǎn)生沖擊電壓的條件是：當(dāng)SS 電壓>FB 電壓，重新啟動(dòng)后FB 電壓還在放電至0.16 V 的過(guò)程中，當(dāng)FB 放電完成后會(huì)快速跟隨SS 電壓上升，導(dǎo)致輸出出現(xiàn)過(guò)電壓狀態(tài)。（ 詳見(jiàn)1.6.3 異常時(shí)序）

綜上MM3630XV 的輸出產(chǎn)生高電壓電平需同時(shí)滿足下記兩個(gè)條件：

1）V_SS >> V_FB；( 此條件可以理解成，當(dāng)V_SS 已經(jīng)達(dá)到0.8 V 時(shí)，V_FB 還在放電或者剛放電至0.16 V)；

2）(V_BS-V_SW) > 4 V。

圖11

圖12

1.5 對(duì)策分析

圖13

1.5.1 V_FB的放電過(guò)程及V_SS的充電過(guò)程分析

1）放電電容

圖14

2）V_FB的IC外部放電電阻

圖15

3）內(nèi)部放電電阻

圖16

4）軟啟動(dòng)時(shí)間

軟啟動(dòng)時(shí)間如應(yīng)用指南所示，是由軟啟動(dòng)充電電流和SS-GND 引腳間電容決定的，各自的精度如圖17所示。

圖17

2 小結(jié)

參數(shù)偏差整理結(jié)果歸納如圖18 所示。

圖18

其中：

1）①③④影響Vout 放電時(shí)間的參數(shù)；

2）②影響開(kāi)關(guān)起點(diǎn)的參數(shù)（High-side FET）；

3）⑤影響Vss 電壓?jiǎn)?dòng)時(shí)間參數(shù).

2.1 計(jì)算輸出放電時(shí)間

輸出放電時(shí)間可用輸出電容、放電電阻、開(kāi)關(guān)起點(diǎn)(電壓) 計(jì)算出來(lái)。

( 放電時(shí)間) = ( 輸出電容)×( 放電電阻)×ln (V_OUT/開(kāi)關(guān)啟動(dòng)電壓) 例：V_OUT=5 V、開(kāi)關(guān)啟動(dòng)電壓= 1 V 時(shí)

ln (V_OUT/開(kāi)關(guān)啟動(dòng)電壓) = ln (5 V/1 V) = ln5

由于1.5.1 中第2 部分的RFB電阻阻值遠(yuǎn)大于1.5.1中第3 部分的IC 內(nèi)部放電電阻，所以可以忽略CE=L階段的放電時(shí)間，直接按照上述公式計(jì)算V_out的放電時(shí)間，即得圖19 的結(jié)果。所以V_out放電至0.16 V最長(zhǎng)時(shí)間T_FB為29ms。

圖19

2.2 計(jì)算軟啟動(dòng)時(shí)間

軟啟動(dòng)時(shí)間20% 的時(shí)間T_SS，即從啟動(dòng)到0.16 V 的時(shí)間。（0.16 V/0.8 V = 20%）

C_ss=0.015 μF, T_ss=C_ss *U/I 得出結(jié)果如圖20。

圖20

可見(jiàn)此時(shí)T_SSmin（= 0.5 ms）<<T_FB（= 29 ms）, 在CE由H→ L→H 的快速變化過(guò)程中，會(huì)導(dǎo)致沖擊電壓的產(chǎn)生。

3 對(duì)策

將Css 從0.015 μF調(diào)整為1 μF后再計(jì)算，可得圖21 的結(jié)果。

圖20

T_SSmin（= 30 ms）> T_FB（= 29 ms）

3.1 軟啟動(dòng)電容調(diào)節(jié)后實(shí)機(jī)驗(yàn)證

圖22

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)調(diào)整C_ss電容，延長(zhǎng)了V_ss的充電時(shí)間，規(guī)避了在IC再啟動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生沖擊的必要條件：V_SS>>V_FB，從而有效的抑制了沖擊產(chǎn)生。

通過(guò)該案例的啟示，研發(fā)人員在DC-DC 應(yīng)用過(guò)程中，需充分考慮使用條件，特別是在供電系統(tǒng)易產(chǎn)生波動(dòng)的環(huán)境中，要對(duì)Soft start 電容及V_out 泄放電阻的阻值及放電時(shí)間進(jìn)行合理的理論計(jì)算，對(duì)上電、掉電時(shí)序進(jìn)行充分的驗(yàn)證，才能避免類似的沖擊產(chǎn)生，保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可靠性。

參考文獻(xiàn):

[1] 任艷頻.DC-DC變換電路原理及應(yīng)用入門[M].北京:清華大學(xué)出版社.

[2] 曲學(xué)基,曲敬鎧,于明揚(yáng).電力電子元器件應(yīng)用手冊(cè)[M].北京:電子工業(yè)出版社.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年5月期）