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2016.07.07 DC/DC

開關穩壓器的基礎

DC/DC比較器除了理所當然供給功率給電路外,安全的確保亦很重要。近年DC/DC比較器用IC幾乎都搭載了被認為必備之保護功能。有些保護功能可以由使用者調整門檻值等因應各種條件。此外,需要CPU或FPGA等複數電源之裝置有電源投入順序或時機之規定,電源電路方必須因應,也因此備有具序列(sequence)功能之電源IC。以外接電路亦可以實現IC所搭載之保護功能或序列功能,但設計比電源複雜得多且需要追加許多零件,現實上並不存在。這裡介紹代表性保護功能和序列功能的概要。

保護功能:熱關機
熱關機(Thermal Shutdown)是在IC接合面溫度(Junction Temperature)為最大額定,也就是Tj max之前後關閉(shutdown)電路工作的構造。工作之接面溫度因IC而異,大多被設定在Tj max之前後。關閉後之工作模式有自動回復型和閂鎖型2種。

圖51

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自動恢帰型當溫度上升至所設定之門檻値時關閉,溫度開始下降至設定値時則IC的工作將自動恢帰。閂鎖型即使溫度下降IC的工作亦會處於關閉狀態。要讓IC再次工作必須重新輸入IC的電源。

此2種關閉後之工作模式須在考量應用之安全設計後選擇使用。順便一提,ROHM的IC由於Tjmax為150℃,故加25℃後在175℃大多會熱關機。有一個重要的確認事項,熱關機功能是為了防止損害時IC自身冒煙或出火的功能,不是保護供電機板或設備的功能。

保護功能:防止低電壓誤工作
低電壓誤工作防止功能(Under Voltage LockOut)取英文頭字則大多稱為UVLO。當輸入電壓在IC之輸入電壓範圍以下時,IC會停止輸出來保護自身之輸出電晶體或負載。當輸入電壓在IC之工作電壓以下時,電路將產生無法預料的工作,於送出異常輸出前強制停止電路工作。幾乎所有電源IC皆搭載UVLO以防止無法預料的故障。

圖52

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圖53

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保護機能:過電流保護
過電流保護是在輸出電流多於限制値時限制輸出電流來防止IC或負載燒毁的功能。若監控線圈電流後檢測超過限制値時,則藉由縮短上側開關之ON時間降低輸出來限制電流。雖然過電流狀態持續時IC會繼續限制電流,不過請記住,限制値之電流,也就是過電流仍會繼續流向負載。電流値恢復正常時,IC也會恢復正常運作。

圖54

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保護功能:短絡保護
短絡保護大多與過電流保護搭配使用,因此有些IC乾脆不加以區分而做為過電流保護的功能。前述過電流若進一步變多的話,保護電路將進一步降低輸出電壓。當處於規定電壓以下之狀態到達某時間以上時,保護電路將停止開關工作變為零。此保護功能亦有自動回復型和閂鎖型,自動回復型在數百毫杪(milli second)後會再度開始開關使電壓輸出。此時,若過電流原因被排除且過電流不流動的話則為正常工作,若再度進入過電流狀態的話輸出將反覆ON/OFF。閂鎖型將使輸出保持在零狀態不會復原,直到重新輸入IC電源為止。此亦與熱關機相同,必須在考量應用的安全設計後選擇使用。

保護功能:過電壓保護
電源線有可能因某些原因短絡使大電流流動後再度回復時輸出電壓瞬間過沖(overshoot),尤其是CPU系IC由於工作電壓和絕對最大額定的幅度小,故有可能會因過沖之過電壓而破壞IC。過電壓保護將監控輸出電壓,若檢測出規定値以上之電壓時會將上側開關設為OFF並停止功率供給。但,倘若只是停止功率供給的話,電感所蓄積的電荷將被放出而使電壓持續上升,因此將下側開關設為ON後將電感之電荷釋放至GND,防止輸出上升。

圖55

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序列功能:關機
關機功能(shutdown)係將IC控制部的工作設為ON/OFF。當電路不需要功率時,而且為POL(Point Of Load:機板上只有一部電路或裝置的電源)的話,藉由與負載的要求連動進行關機,將有助於削減消耗功率或待機功率。

圖56

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序列功能:緩啟動
緩啟動(soft start)是為了防止起動時之衝擊電流而讓輸出電壓之啟動擁有時間定數(time constant)使其上升的功能。必須注意的是,當衝擊電流產生時IC的過電流保護會運作,有時會發生電源不啟動(閂鎖關閉狀態)的問題。緩啟動的時間定數有IC内部固定型和備有調整腳位可在外接電容設定的類型。

序列功能:電源輸出穩定
電源穩定(power good)是當輸出到達所設定之電壓値時釋出旗標(flag)的功能。藉由通知CPU電源啟動沒有問題或與ENABLE功能組合來編排複數電源之啟動序列。圖57例是使用Power-good和ENABLE使電源依序從電源1到電源3啟動的序列架構。

圖57

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圖58

圖58

序列功能:追蹤
追蹤(tracking)是可以設定複數電源起動順序和時機的功能。藉由使複數電源輸出依所要求之順序啟動,可確保電路或裝置的安全。追蹤有同時追蹤、比例追蹤、補償追蹤3種。

圖59

圖59

同時追蹤(coincident)係所有電源同時為ON並以相同傾斜啟動,從低電壓之電源依順到達設定電壓。此功能有助於以FPGA等啟動低電壓核心電源後必須起動周邊I/O電源之應用。

比例追蹤(ratiometric)係以各自不同之傾斜啟動。此為調整傾斜不讓衝擊電流大量流入各電源線解耦電容(decoupling capacitor)之方法。

補償追蹤(offset)係一面維持各電源間補償電壓(電壓差)之一定一面啟動。對於有規定電源電壓間差距之裝置,此方法有效。

一般來說,要進行這些控制須使用定序器IC或追蹤控制器IC。有些電源IC內建追蹤功能,可利用主動(master)電源之輸出電壓來控制從動(slave)。

圖60:使用序列IC之控制例

圖60: 使用序列IC之控制例

圖61:內建追蹤功蔵能利用例

圖61: 內建追蹤功蔵能利用例

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