在电源带载启动时,尤其是 BOOST 结构的电源(以下称 BOOST 调整器),您是否常遇到下面的事情:
BOOST 调整器带载上电时,前级电源正常开启,使用热插拔上电,可以正常启动,但控制电源 ON/OFF 来上电,却无法正常工作。
BOOST 调整器带载上电后,输入端的电流特别大,同时芯片发热严重。有时过几秒可以恢复正常,有时却一直无法正常工作,输入端、输出端电压一直没有达到设定值。
这些,往往都是 BOOST 调整器启动时所需要的大电流导致的。我们都知道,电源有一定的电流能力,当所需要的电流大于电源所能提供的电流时,电源将会进入限流状态(输出电压下降)或者进入复位等状态。下面,我们以 XL6006 为例,看一下 BOOST 调整器启动时所需要的电流。
XL6006 是一款专门为 LED 设计的大功率升压恒流驱动器,内置功率 MOS,最大开关电流为 5A,输入电压为 5V~ 32V,输出电压最高可达 60V,基本应用电路图如图 1 所示:
XL6006 启动波形
使用上面的电路图,VIN=12V,输出端接 12 串 1W LED 灯,输出电压约为 38V,电流设定值为 0.324A,假设效率为 90%,那么可以估算,稳定后,输入端电流应约为 38V*0.324A/12V/0.9=1.14A,但此时,如果选择一个 1.5A 或者 2A 的电源,往往会出现上述的启动问题(前端电源限流,输出电压无法建立)。XL6006 正常启动时波形见图 2(电源设定限流点 8A,热插拔上电,黄色:输入电压,绿色:输入电流,蓝色:SW 点电压,下同)。
上电后,输入端电流有两个高峰,分别放大后观察见图 3:
图 3 左侧图显示输入端电流高达 30A 以上,但持续时间较短(从开始到最后约 50us),此电流产生的原因是输入电源给 XL6006 系统的 CIN 与 COUT 电容充电,具体电流有多大,时间有多长,取决于电容的容量,电容的 ESR,线上电阻、电感等参数。
图 3 右侧图显示输入端电流接近 6A,但持续时间较长(右图从开始到最后约为 1.4ms)。此电流是 BOOST 升压至需求电压的过程产生的(从图中可以看到 SW 点电压逐渐上升)。在 FB 点电压未达到稳定工作时的值之前,芯片会以最大的占空比工作,从而导致电流逐渐上升。当输出电压达到设定值后,芯片占空比恢复正常,输入电流逐步下降至正常工作时的电流。
以上两个过程中,第二个过程是导致启动问题的主要原因。电源需要较长时间的大电流输出,如果该电流超出了电源的 电流能力,则很容易出现上述问题,即输入电源的电压被拉低,输入端电流过大,从而导致芯片发热严重,甚至出现电感磁 饱和。
关于热插拔上电和开关上电
为了说明插拔上电与通控制电源 ON/OFF 来上电的区别,我们同样将电源设定为 12V,输出接 12Ω水泥电阻做为负 载,测试水泥电阻两端的电压波形,见图 5。
从图中可以看到,插拔上电仅需 10us 不到即可完成上电,而开启电源来上电却需要 200ms 左右的时间(具体时间还 要看具体的电源)。这也就是控制电源 ON/OFF 来上电容易导致前级电源被拉低的原因。
改善方式
通过添加欠压保护电路(见图 6)来限制芯片最低工作电压,是简单有效的改善措施;同比典型应用电路,增加稳压管 DZ1 与电阻 R1,其中 R1 通常取值 10K,DZ1 一般取最小工作电压的 0.8 倍左右,此处 DZ1 选择 8.2V 稳压管。
按照之前的测试条件:VIN=12V,输出端接 12 串 1W LED 灯,输出电压约为 38V,电流设定值为 0.324A。设置电 源限流点为 2A。下面,我们分别对比有无欠压保护的启动情况。
图 7 为插拔上电时的情形。在未加欠压保护的时候,启动后,输入电流逐渐上升,当超过了设置的限流点后,输入端电 压被拉低。最终输入端电压稳定在 3V 稍多,输入端电流在 2A(电源设置限流点处),输出电流只有 100mA 左右,芯片 一直无法正常工作。增加欠压保护后,电流上升超出设置的限流点后,输入端电压被拉低,当电压被拉低到 9V 左右(稳压 管的值+EN 脚关断电压),XL6006 停止工作,输入端电流降至 0A,电压开始上升,当输入电压上升到 10V 左右时(稳 压管的值+EN 脚开启电压),芯片再次启动。此过程可能会重复若干次,最后启动成功,进入稳定状态。
图 8 为控制电源 ON/OFF 来上电时的情行,未加欠压保护时,上电之后,输入端电压逐渐上升至 XL6006 的最低工 作电压,芯片开始启动,输入电流增加,超过限流点后(2A),输入电压被拉低,最终电源电压稳定在 3V~4V 之间,启动 失败。增加欠压保护后,输入端电压需要上升到 10V 左右(稳压管的值+EN 脚开启电压),XL6006 才开始启动,此时启 动后所需电流要远小于 3V 时的情形,故可以很容易的启动成功。
结果 添加欠压保护电路后,插拔上电与控制电源 ON/OFF 上电,XL6006 均可以电源限流点比较小的情况下带载启动。