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连载系列:立锜科技60V, 3.5A 工业级 Buck 转换器 RTQ6363 的应用信息(续 2)
发布时间:2020-10-23
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连载系列:立锜科技60V, 3.5A 工业级 Buck 转换器 RTQ6363 的应用信息(续 2)
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本文仍然继续上期文章的话题,将 RTQ6363 的应用说明翻译给你做参考,需要复习或了解前面内容的读者可点击下述链接进行回顾。

使能端的电路结构和 UVLO 的作用机制

此图摘录自 RTQ6363 的内部框图,其中的核心是 Shutdown Logic,如果要把这个词翻译为中文,我会说“关机控制电路”。关机控制电路受三个信号的控制,它们分别来自使能比较器 Enable Comparator、过热检测电路 Thermal Shutdown 和欠压锁定保护电路 UVLO,关机控制电路在收到它们中的任何一个发出的不正常信号时都会将整个 IC 的工作停下来以确保安全。

使能信号 EN 端内部包含有两个电流源 IEN(= 1.2µA) 和 IEN_Hys(= 3.4µA),它们的供电显然是来自于电源输入端 VIN。当 EN 端处于浮空状态时,来自 IEN 的电流就可使 EN 端处于高电压的状态,也就是说保持 EN 端悬空即可使 RTQ6363 在 VIN 的控制下自动进入运行状态。

如果 EN 端的电压如上图所示那样由外部电路如电阻分压器供应,当 EN 端电压高于 Enable Comparator 反相输入端的电压 Enable Threshold( VTH_EN = 1.2V ) 以后,Enable Comparator 输出端便成为高电平使 IEN_Hys 下端的开关接通,IC 内部流入使能端的电流便从 IEN= 1.2µA 增加为 IEN+ IEN_Hys = 1.2µA + 3.4µA = 4.6µA,这些电流都只能向 EN 端子外部流动经电阻 REN2 入地,这个过程便会使 EN 端的电压发生一个跳变,其表现如下图中的绿色线所示:

同样地,在 EN 端电压下降的过程中,流出 EN 端的电流也会从 4.6µA 变回到 1.2µA,促使这种变化发生的原因是 EN 端电压下降到阈值 VTH_EN = 1.2V,这也会造成 EN 端电压的跳变,其表现如下图中的绿线所示:

这样的设计可避免在 EN 电压上升、下降过程中出现使能状态的来回跳变问题,属于滞回式设计,这是规格书的英文描述中会出现了Hysteresis 这个词的原因。

UVLO 是 Under Voltage Lockout 的缩写形式,意为欠压锁定,是一种保护功能。上电过程中,当电源输入端 VIN 的电压低于 UVLO 阈值 VUVLOH= 4.3V 时,关机控制电路使 IC 一直处于关机状态,直到 VIN 电压超过这个阈值以后才容许 IC 进入工作状态。在 VIN 电压下降过程中,判断是否需要关机的 UVLO 阈值是 VUVLOL= 3.9V。上升、下降过程中造成 UVLO 输出发生变化的阈值电压不同,同样可以避免上电和断电过程中的工作状态的不稳定,也属于滞回式设计。

过热关机的概念应该很容易理解,RTQ6363 容许的内核最高温度是 175℃,超过此温度便会发生过热关机保护。一旦发生过热关机保护,内核温度必须回落 15℃ 以后才会重启上电过程。

很显然,为了确保安全,使能控制、过热关机和 UVLO 对于关机控制电路来说都是一票否决制,只要它们中有一个提出来要关机,实际的关机过程就会发生,其作用很像是联合国安理会的否决权,一票即可定乾坤。

将 EN 端用于启动电压和 UVLO 的阈值调节

利用上一节介绍的 EN  端和 UVLO 的特性,我们可以通过调节将 VIN 分压到 EN 端的电压比来选择让 RTQ6363 进入工作状态的 VIN 电压值 VSTART 和停止工作的 VIN 电压值 VSTOP,具体的实现电路如下图:

根据希望得到的启动和停止的输入电压可以得到两只电阻的计算公式:

EN 端最高可以承受 60V 的电压,与 VIN 端的承受能力相同,因此可以在很宽的范围内对具体参数进行调节。应用笔记 AN063 里就利用 EXCEL 设计工具对此进行了验证,其结果表现得非常准确。

软启动和追随控制

采用 PSOP-8 封装的 RTQ6363GSP 没有可调的软启动端子,它的软启动时间是内部固定的 2ms,这意味着在正常情况下的输出电压从额定值的 10% 上升到 90% 会经历 2ms 的时间。

RTQ6363GQW 采用 DFN-10L 封装,这给它留出了保留 SS 软启动端子的空间。SS 内部包含一个 1.7µA 的电流源 ISS,只要给它外接一只对地电容,ISS 即可对其进行充电。在上电过程中,当 SS 端电压比 FB 端电压高出 42mV 以后,转换器的主开关即可进入工作状态,这样的设计可确保转换器在遇到输出端已经存有一部分电能时不会在一开始即进入开关切换工作状态,从而保证其启动过程是单调的上升过程,这种方法在很多规格书中都有一种描述叫做 Pre-bias start up,我把它翻译为“预偏置的启动过程”。

在 IC 工作的时候,FB 端看到的电压是要与参考电压 VREF 进行比较的,而 RTQ6363 的 VREF= 0.8V,如果这个 0.8V 的参考电压直接进入误差放大器参与误差检测,RTQ6363 的工作过程中便不会有软启动过程,其结果是会在启动过程中出现较大的输入电流,这对向其供电的电源会是一个很大的冲击。为了实现软启动,这个参考电压会先和 SS 端电压 VSS 进行比较,当 VSS< VREF 时,真正成为误差放大器输入的便是 VSS,而 VSS 是从 0V 开始逐渐上升的,输入电流就不会很大,很少有造成电流冲击的机会。

假如我们将一个外部电压源引入 SS 端,只要该电压低于 VREF,它所起的作用便与上面说的软启动电压相当。如果该电压源的电压是变化的,转换器的输出电压就会跟随它而发生同样的变化,这种作用就像追随一样,所以 SS 端有另外一个称呼 TR,它取自英文单词 Tracking,这种功能可以被使用在需要多组电源同步或按序启动的应用当中。

在 RTQ6363 启动过程中,使能端 EN、软启动端 SS 和输出电压 VOUT 之间有下图所示的关系。当 VFB 达到 VREF 的 94% 时,PGOOD 内部的开漏 MOSFET 会由导通状态转换为截止状态,所以我们会看到 PGOOD 信号在输出电压上升到额定电压的 94% 时转变为高电平,这是因为它已被电阻上拉至某个电压源的结果。

按照 RTQ6363 规格书的定义,它的输出电压从额定电压的 10% 上升到 90% 需要的时间被称为软启动时间,其计算公式为:

其中的 CSS/TR 是 SS/TR 端外接的软启动电容的容量。

假如 RTQ6363 遇到了负载太重和输出电容太大的状况,即使软启动过程已经结束了,它的输出电压也无法达到额定的电压,这样就可能会进入输出电压欠压保护状态。所以,CSS/TR 应该足够大,以便确保软启动过程结束时 COUT 已经被完全充满了电,满足这个要求的软启动电容值计算公式如下:

其中的 ICOUT_CHG 是对 COUT 进行充电的电流,它与工作频率、电感量、上桥开关的峰值电流限制值及负载电流有关。通过一个软启动过程对输出电压进行提升的过程都会遇到器件参数的极限值,说明软启动并不意味着就是在以比较微弱的方式发力对输出电压进行提升,它们也很可能是用了很大的力的,具体的状况是与许多因素有关的,其重点在于软启动过程降低了对输出电压提升速度的要求,这就相应地降低了器件们需要努力工作的强度,是一种以时间换空间的战术,使得系统有足够的能力去轻松提升输出电压。

输出欠压保护

过载和输出短路都会造成输出电压的降低,RTQ6363 需要持续监测输出电压的反馈信号 VFB 来实施输出欠压保护。为了避免和软启动过程产生冲突,这项工作会在 VSS/TR 超过 1.2V 以后开始进行,若发现 VFB 低于欠压保护阈值( 0.5 x VREF,典型值),欠压比较器的输出就变为高电平,这就意味着进入输出欠压保护状态了,此后的上桥开关就会进入截止状态,输出端不能得到能量补充,输出电压就只有下降的机会而不可能再上升。

在输出欠压保护状态下,SS/TR 端内部一个电流源 ISS_DIS( = 0.5µA ) 会对 CSS/TR 进行放电操作。当 SS/TR 端电压被放电到 54mV 时,RTQ6363 便会开始一次新的软启动过程,前述的电流源 ISS 会开始对 CSS/TR 进行充电操作。

VSS/TR 从 1.2V 降低到 54mV 的时间长度可用下述公式进行计算:

这个计算所得到的时间长度是软启动过程结束时便发生输出欠压保护到重新开始尝试软启动需要经历的时间,这段时间是几乎不会有输入端能量消耗的阶段。

在正常情况下的 RTQ6363 会将 CSS/TR 充电到多高的电压呢?规格书没有给出指标,但我们可以从规格书中的波形图里观察到这个数据是超过 5V 的,由此数据可以推知:如果过载和短路的发生是在正常工作期间发生的,从事件的发生导致发生输出欠压保护到再次重启动的时间是很长的,因为软启动电容的放电需要很长时间,其数值至少有

如果过载和短路发生在软启动结束后 VSS/TR 还没有上升到最高电压 5V 的这一段时间内,此时便有 1.2V < VSS/TS < 5V,相应的软起动电容放电时间便会处于上述两个公式的计算值之间。规格书中提供的一个波形图(见下图)里显示的输出短路发生在软起动结束以后的正常工作时间里,VSS/TR 是从高于 5V 的地方开始被放电的,于是便可看到 RTQ6363 在很长的一段时间都处于静默状态,此后才开始尝试着软启动,并且反复进行着静默、启动、静默、启动的过程,直至输出短路的状况被撤除以后才能恢复正常状态。

在输出欠压保护发生的情况下,RTQ6363 仅在尝试软起动的时间段内才会消耗能量,对 CSS/TR 进行放电的时间段里消耗的能量是很少的,这就避免了过载和短路可能造成的风险,而它的这种反复尝试启动的保护模式也被称为打嗝模式,因为其表现与我们的打嗝实在是太像了。(未完待续)

转载自RichtekTechnology。

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