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基于XL7005A的系統帶載啟動異常剖析(2)

西西 ? 來源:上海芯龍半導體 ? 作者:上海芯龍半導體 ? 2023-11-30 15:12 ? 次閱讀

電源帶載啟動時,尤其是 BOOST 結構的電源(以下稱 BOOST 調整器),您是否常遇到下面的事情:

BOOST 調整器帶載上電時,前級電源正常開啟,使用熱插拔上電,可以正常啟動,但控制電源 ON/OFF 來上電,卻無法正常工作。

BOOST 調整器帶載上電后,輸入端的電流特別大,同時芯片發熱嚴重。有時過幾秒可以恢復正常,有時卻一直無法正常工作,輸入端、輸出端電壓一直沒有達到設定值。

這些,往往都是 BOOST 調整器啟動時所需要的大電流導致的。我們都知道,電源有一定的電流能力,當所需要的電流大于電源所能提供的電流時,電源將會進入限流狀態(輸出電壓下降)或者進入復位等狀態。下面,我們以 XL6006 為例,看一下 BOOST 調整器啟動時所需要的電流。

XL6006 是一款專門為 LED 設計的大功率升壓恒流驅動器,內置功率 MOS,最大開關電流為 5A,輸入電壓為 5V~ 32V,輸出電壓最高可達 60V,基本應用電路圖如圖 1 所示:

XL6006 啟動波形

使用上面的電路圖,VIN=12V,輸出端接 12 串 1W LED 燈,輸出電壓約為 38V,電流設定值為 0.324A,假設效率為 90%,那么可以估算,穩定后,輸入端電流應約為 38V*0.324A/12V/0.9=1.14A,但此時,如果選擇一個 1.5A 或者 2A 的電源,往往會出現上述的啟動問題(前端電源限流,輸出電壓無法建立)。XL6006 正常啟動時波形見圖 2(電源設定限流點 8A,熱插拔上電,黃色:輸入電壓,綠色:輸入電流,藍色:SW 點電壓,下同)。

上電后,輸入端電流有兩個高峰,分別放大后觀察見圖 3:

圖 3 左側圖顯示輸入端電流高達 30A 以上,但持續時間較短(從開始到最后約 50us),此電流產生的原因是輸入電源給 XL6006 系統的 CIN 與 COUT 電容充電,具體電流有多大,時間有多長,取決于電容的容量,電容的 ESR,線上電阻、電感等參數

圖 3 右側圖顯示輸入端電流接近 6A,但持續時間較長(右圖從開始到最后約為 1.4ms)。此電流是 BOOST 升壓至需求電壓的過程產生的(從圖中可以看到 SW 點電壓逐漸上升)。在 FB 點電壓未達到穩定工作時的值之前,芯片會以最大的占空比工作,從而導致電流逐漸上升。當輸出電壓達到設定值后,芯片占空比恢復正常,輸入電流逐步下降至正常工作時的電流。

以上兩個過程中,第二個過程是導致啟動問題的主要原因。電源需要較長時間的大電流輸出,如果該電流超出了電源的 電流能力,則很容易出現上述問題,即輸入電源的電壓被拉低,輸入端電流過大,從而導致芯片發熱嚴重,甚至出現電感磁 飽和。

關于熱插拔上電和開關上電

為了說明插拔上電與通控制電源 ON/OFF 來上電的區別,我們同樣將電源設定為 12V,輸出接 12Ω水泥電阻做為負 載,測試水泥電阻兩端的電壓波形,見圖 5。

從圖中可以看到,插拔上電僅需 10us 不到即可完成上電,而開啟電源來上電卻需要 200ms 左右的時間(具體時間還 要看具體的電源)。這也就是控制電源 ON/OFF 來上電容易導致前級電源被拉低的原因。

改善方式

通過添加欠壓保護電路(見圖 6)來限制芯片最低工作電壓,是簡單有效的改善措施;同比典型應用電路,增加穩壓管 DZ1 與電阻 R1,其中 R1 通常取值 10K,DZ1 一般取最小工作電壓的 0.8 倍左右,此處 DZ1 選擇 8.2V 穩壓管。

按照之前的測試條件:VIN=12V,輸出端接 12 串 1W LED 燈,輸出電壓約為 38V,電流設定值為 0.324A。設置電 源限流點為 2A。下面,我們分別對比有無欠壓保護的啟動情況。

圖 7 為插拔上電時的情形。在未加欠壓保護的時候,啟動后,輸入電流逐漸上升,當超過了設置的限流點后,輸入端電 壓被拉低。最終輸入端電壓穩定在 3V 稍多,輸入端電流在 2A(電源設置限流點處),輸出電流只有 100mA 左右,芯片 一直無法正常工作。增加欠壓保護后,電流上升超出設置的限流點后,輸入端電壓被拉低,當電壓被拉低到 9V 左右(穩壓 管的值+EN 腳關斷電壓),XL6006 停止工作,輸入端電流降至 0A,電壓開始上升,當輸入電壓上升到 10V 左右時(穩 壓管的值+EN 腳開啟電壓),芯片再次啟動。此過程可能會重復若干次,最后啟動成功,進入穩定狀態。

圖 8 為控制電源 ON/OFF 來上電時的情行,未加欠壓保護時,上電之后,輸入端電壓逐漸上升至 XL6006 的最低工 作電壓,芯片開始啟動,輸入電流增加,超過限流點后(2A),輸入電壓被拉低,最終電源電壓穩定在 3V~4V 之間,啟動 失敗。增加欠壓保護后,輸入端電壓需要上升到 10V 左右(穩壓管的值+EN 腳開啟電壓),XL6006 才開始啟動,此時啟 動后所需電流要遠小于 3V 時的情形,故可以很容易的啟動成功。

結果 添加欠壓保護電路后,插拔上電與控制電源 ON/OFF 上電,XL6006 均可以電源限流點比較小的情況下帶載啟動。

審核編輯:黃飛

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