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基于立绮RT6204 Buck转换器聊聊电源转换器中的软起动

2020/07/29
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很多电源转换器都有软起动功能,有的完全内建,有的可以在外面看到一个 SS 端子电路上需要外加一只电容才能实现其功用。

RT6204 是一颗可以在 5.2V – 60V 输入电压范围内工作的同步 Buck 转换器,负载能力为 500mA,它的规格书中给出的应用电路如下图所示:

RT6204 的引脚上出现了 SS,这表示它具有可调的软起动(Soft Start)功能,只要外加上电容 CSS,它在启动过程中的软起动特性就会表现出来,规格书中提供的启动过程示意图说明了这一点:

这个图表达的意思是这样的:① 工作过程中,IC 内部有一个恒流源 ISS 在向 SS 端子提供恒定的电流。②启动过程中,SS端电压会从 0 开始持续上升,上升斜率取决于恒流源的电流大小和电容量的大小。③ 与此同时,输出电压也同步上升,直至达到设定好的输出电压。④ 此后,SS 端的电压还会上升(直至能够达到的最高电压,受恒流源的设计限制),但输出电压不会再跟随它发生变化。

由于恒流源的电流是不变的,外接电容 CSS 在工作过程中也不会变化,而且DC/DC 开始工作时 CSS 两端的压差都是 0,所以,SS 端电压上升的时间是可以计算出来的:

这个公式里出现了一个新的参数 VREF,它是电源转换器反馈系统的参考电压,也是软启动端子上的电压起作用的最后参数。实际上,软起动端 SS 上的电压和参考电压 VREF 是同时进入反馈系统的,这可以从转换器的内部电路框图看出来:

在此图中,误差放大器 EA 有两个 + 端,其中一个接 0.8V 的 VREF,另一个接 SS,哪一个电压低哪一个就会起作用,另一个就被屏蔽了。因此,启动过程中的 SS 端电压低于 VREF 时,SS 端的电压就会起作用成为反馈系统的参考电压,因而闭环系统调节的目标就是使反馈电压与 SS 端电压相等。由于 SS 端电压是从 0V 开始逐渐上升的,所以系统的目标输出电压也是逐渐上升的。

下面我们开始用仿真软件 Richtek Designer 来对软起动过程做些示范。如果我们给 Richtek Designer 一个指令,让它用 RT6204 生成一个从 50V 转 12V、负载能力 0.5A 的电路图,它将自动给出如下答案:

从中可以看到,CSS=100nF,经过仿真,我们看到它在启动过程中的 VOUT 和VSS 之间的关系是这样的:

VOUT 从 0V 升到 12V 花费了 14ms 的时间(没考虑前面的延迟时间,直接从开关脉冲开始打的时候算起)。考察前面 1ms 的时间,LX 端总共打了 13 个脉冲,VOUT 上升到 0.932V,脉冲与脉冲之间的间隔时间长到我们能看到电感电流释放完毕以后发生的事情:

如果将软起动电容 CSS 修改为 10nF,VOUT 上升过程就只需要 1.38ms 了,几乎刚好是前者的十分之一(没考虑延迟时段,所以有误差):

这个结果与前面的理论公式符合得非常好。下面再来看看前 1ms 能打多少个脉冲吧:

我已经没有能力对此进行计数了(实际上是我太懒了,只要你愿意,肯定可以把它数清楚,只是这样做毫无意义)。此时的 1ms 结束时,VOUT 已经爬升到 8.74V。

要在同样的时间内将输出电压提升到更高的值,必然需要更多的能量,这些都会在输入端转变为电流。所以,如果想在尽可能短的时间内提升输出电压,输入端就会出现比较大的电流冲击,对供电源的供电能力提出更高的要求,避免这个问题的出现也就是采纳软起动设计的通常原因。

对于不同的系统,软起动的实现方式可能是不一样的。RT6204 既能工作在PSM 模式下,也能工作在 PWM 模式下,我们从上面的波形图可以看出它采用了 PSM 的方式来实现此功能,同时 PWM 也在起作用。

转载自RichtekTechnology。

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