短路恢复过冲原因及解决方法.doc

汽车电子Buck变换器短路恢复输出过冲分析
刘松, 丁宇, 杨启峰
(万代半导体元件上海有限公司, 上海 201203)

摘要：本文详细分析了MOSFET开通延时、电流取样信号延时和前沿消隐时间所决定的系统最小导通时间是峰值电流模式下脉宽限流不能起作用的原因；探讨了用于汽车电子系统降压型Buck变换器在输出短路保护后恢复时输出电压产生过冲的问题，响应慢CCM模式导致COMP脚电压不能迅速放电；讨论了短路时输出二极管和引线电压使电感逐渐饱和的过程。输出过冲前沿尖峰产生于电感和输出电容的谐振，功率管直通导致稳定后输出电压等于输入电压。最后给出了解决此问题的电路和测试结果。实验的结果表明：此电路有效的抑止了短跑恢复中的输出电压过冲。
关键词：变换器，输出过冲，短路恢复，最小导通时间

Analysis of Output Overshooting During Short Circuit Recovery of Buck Converter in Automobile Electronic System
Liu Song, Ding Yu, Yang Qifeng
(AOS Semiconductor Co., Ltd., Shanghai 201203)
Abstract: The reason why cycle by cycle current limit can not function even at peak current mode PWM is analyzed in detail. Output overshooting during short circuit recovery of Buck converter in automobile electronic system is discussed in this paper. The process of the inductor going into saturation gradually owing to drop voltage of catch diode and trace during output short circuit is also discussed. Spike voltage of output at leading edge is caused by the inductor and output capacitance. Power Mosfet holding always on makes output voltage equal to input voltage. The solution to treat this issue and test results are given in the end.
Key words: converter; output overshoot, short circuit recovery, minimum on duration

1 引言
目前在汽车电子系统中，输入使用12V/24V的电压[1]，然后采用Buck 降压变换器，得到5V、3.3V，2.5V，1.8V，1.2V等多种电压以提供给系统的各种逻辑数字芯片，模拟芯片，MCU或DSP的内核、I/O口等负载。系统要求电源芯片在输出短路时要有保护功能，暂态的输出短路状态消除后系统可以恢复。在一些Buck变换器应用中发现，在输出短路恢复的过程中，输出产生过冲，稳定后输出电压等于输入电压，由于汽车电子系统的输入电压高，这样就会损坏后面所带的芯片负载。本文将探讨这些问题及其产生的原因，并给出相应的电路以解决这些问题。

2 短路恢复过程输出过冲

通常在汽车电子系统中的Buck 降压变换器采用纹波电流小、传输功率大和EMI特性好的CCM峰值电流模式控制，同时具有过流和输出短路保护的功能，通过对电感峰值电流的逐周期自动控制，直接限定了电感峰值电流以及电感的平均电流。在输出短路时，保护电路就将其工作频率降到正常频率的1/8左右。因为工作频率较低，电感的平均电流也很低；当瞬态的输出短路状态撤除，变换器经过软启动电路重新启动。在实际的应用中发现，将输出短路再去除短路时，输出会出现较大过冲尖峰，超过输入电压，而且最后稳定到输入电压值。如图1所示。Buck变换器输入电压为12V，输出为5V，工作频率500kHz。IL为电感电流，VCOMP为COMP脚的电压，VOUT为输出电压，Vsw为开关节点电压。

iL/5A/格
VOUT/5V/格
VCOMP/3V/格
VSW/6V/格
t/20ms/格

图1：输出短路恢复过程波形

从图中可以看到：输出短路后系统在内部处于保护状态，开关频率降低到48kHz，短路去除后，输出电压振荡到16V，然后降低到12V。而且很明显，在恢复的过程中，电感进入饱和，电感的电流由锯齿波变为一段稳定的电流，其电流值为峰值保护点。

3 输出过冲产生原因分析
在短路过程中，VCOMP电压为高的电压值，系统进入频率折返保护。峰值电流模式具有脉冲限流功能，为什么还要频率折返保护？因为在输出短路时，输出并不完全如同理论分析的那样，输出电压为0，由于续流二极管和引线电阻的存在，实际的输出电压为续流二极管压降和引线电阻压降之和，开关管的开通时间为：。由于+值很小，开关频率越高，越小，小于PWM具有的最小导通时间时，上端的主开关管在每个开关周期，导通的时间将维持这个最小导通时间值。
PWM具有的最小导通时间的原因在于：开关管MOSFET的开通有一定的延时，电流的取样信号传送到PWM比较器也在一定的延时和前沿消隐时间[2]。最小导通时间必须大于这些延时，否则开关管就不能准确的完全开通。
在开关管关断时：，低的+值导致低，即电感电流的下降斜率很小。当开关管在每个开关周期导通时间后，由于电感电流的下降斜率很小，电流下降很慢，在开关周期的关断时间内，电感不能充分的磁复位，这样在下一个开关周期，电感的电流再从更高的电流值线性增加，电感的磁通也从更高的起始磁通值激磁。几个开头周期后，电感将逐渐的饱和。在最小导通时间状态下，电流信号传输的延时和前沿消隐时间使脉冲限流功能失去作用。
从上面的分析可以直观的得到：降低开关频率，由于导通时间固定，从而延长电感去磁的时间，抑止电感饱和。
短路去除后系统进入软起动，系统从折返的频率进入正常的开关频率。注意到由于CCM模式响应慢，能量转移速度慢，短路去除后输出负载电流迅速减小，由于输出电压仍然很低，VCOMP应该仍然维持高的电压值，软起动的过程中，虽然VCOMP降低，但其下降的速度较多慢，这样开关管开通后会开关较长的时间，注意到电感中已经储存了很多的能量，电感的起始磁通位于很高的值，再加上从输入传送的能量继续激磁，导致电感电流继续增加，在一段时间维持在峰值的电流值，同时输出电压的上升。几个开关周期后，上端的主开关管直通，电感和输出电容形成谐振环，输出电压谐振到峰值，阻尼振荡回到稳定的输入值，电感电流下降到0到负向最大值，然后到一个较小的直流值。图1可以得到振荡频率约为15kHz由于电感L为5.8uH，输出电容为20uF，则LC谐振频率为：

两者的结果一致。

4 抑止过冲的电路
在正常的软起动过程中，但是由于软起动电路限制，VCOMP电压只能逐渐的增加，因此占空比也是逐渐的增加，当输出电压达到正常的值，占空比也达到正常的值。在此过程中，浪涌的电流被限制，在每一个开关周期，电感磁通能够正常的复位，伏秒值就可以维持平衡。在短路恢复的过程中，由于VCOMP电压高，若COMP管脚放电压速度慢，系统无法重新进入正常的软起动，电感的储能导致输出产生过冲。在输出电容大时，必须要有更长的软起动时间，才能有效的减小输出过冲。
对于这个问题，最直观的想法就是：如果在短路恢复过程中，当输出电压从0开始增加时，在其回到正常输出值前将COMP脚的电压拉低，这样能够进入正常的软起动，就有可能完成正常的短路恢复过程。解决的方案如图2所示。为了拉低在短路恢复过程中COMP脚的电平同时又不影响电路的正常工作，在COMP脚加上一个三极管放电回路。在短路恢复过程中，输出电压上升的前沿形成一个高频信号，经C3耦合到三极管基极，使其导通，强制将COMP电位置低，从而抑制输出过冲。输出正常后，输出为直流，C3起隔离直流的作用，对电路无影响。R3起到限制三极管基极电流的作用。

图2：抑止输出过冲的电路

5 实验测试及结果
增加保护电路后的波形如如图3 所示。当C1=33pF时，输出仍然的电压过冲，COMP脚的电压下降的速度慢，在恢复的过程中，其电压值不能被拉低到较低的值。当C1=100pF时，COMP脚的电压在短路恢复过程迅速的被拉为较低电平，芯片经过软起动回到正常的输出电压值5V，没有输出的过冲，注意到此时，软起动的时间明显的增加。
t/10ms/格
VOUT/5V/格
VCOMP/2V/格
VSW/5V/格
iL/5A/格

(a) C3=100pF

t/50ms/格
VCOMP/2V/格
VOUT/5V/格
VSW/5V/格
iL/5A/格

(b) C1=33pF
图3：增加外围电路的的短路恢复波形
因此只有当C3大于100pF以上时电路才可以有效的抑制短路恢复过程中的过冲，而且输出回到稳定的5V。

6 结论
MOSFET开通延时、电流取样信号延时和前沿消隐时间所决定的系统最小导通时间是峰值电流模式下脉宽限流不能起作用的原因。CCM模式具有的慢的响应导致短路恢复时COMP脚的电压不能迅速的放电，输出产生过冲。外加的辅助电路只有耦合电容大于100pF 才可以有效的抑制输出电压过冲。

参考文献
[1] 刘松. 基于四管同步升降压变换器汽车适配器设计[J]. 电力电子技术, 2007,41(7): 36~38.
[2] 刘松. 汽车电子系统降压型DC/DC转换器的设计技巧. 电子设计应用, 2007,5: 111~114.