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手持設備中升壓DC/DC轉換器可靠性設計
摘要: 電池作為手持設備中的電源,通常直接給升壓DC/DC轉換器供電。
Abstract:
Key words :

  短路保護功能
  電池作為手持設備中的電源,通常直接給升壓DC/DC轉換器供電。由于升壓DC/DC轉化器本身拓撲結構的缺陷,從電池到負載始終有一條電流通路,如圖1所示。一旦負載短路到地(GND),短路產生的大電流就有可能毀壞升壓轉化電路、電池、電感、肖特基二極管等電路元器件。一般的設計思路是在升壓電路前端設置一個保險絲,與升壓DC/DC轉換器共同組成升壓電路。 為了節約電路元器件成本和電路版圖面積,德州儀器的升壓DC/DC轉換器TPS61080/1集成了一個MOS管。該MOS管可以取代傳統的保險絲,起到短路保護的功能。

圖1TPS61080/1結構框圖

  TPS61080/1的結構框圖如圖1所示,MOS管與輸入端VIN和電感一端L相連接。負載短路到地時,輸出電壓會迅速下降;當輸出電壓小于輸入電壓1.4V并持續13ms,MOS管會被觸發而自動關閉,起到輸入與輸出的完全隔離和保護電路的功能。該MOS管也可稱作隔離管。因為該管還有一個作用:當轉換器關閉時隔離管會隔離輸入輸出,從而避免電池由電感和二極管形成的漏電通路進行不必要的放電,增加了電池的巡航時間。考慮到轉換器啟動時,輸出電壓低于輸入電壓,所以該觸發條件在芯

 

片啟動時被延長至2ms。當短路保護啟動后,TPS61080/1需要重新啟動才能工作。

  另外的短路情況也可能在使用中發生,即DC/DC器件引腳與地的短路、引腳與引腳之間的短路。這類情況都會使電路從電池那里瞬間獲取巨大的電流。因為隔離管直接與電池電源連接,所以由短路引起的大電流勢必流過隔離管。當該大電流達到短路保護電流參數值時,隔離MOS管被觸發而自動關閉57ms。如果短路機制仍然存在,57ms后TPS61080/1會永久關閉。只有通過重新啟動才能使TPS61080/1再次正常工作。與上述觸發方式一起,TPS61080/1的隔離MOS管提供了高效的短路保護,防止短路造成對電路器件的破壞。

  輸出過壓保護

  輸出過壓保護在電子產品使用過程中很少起作用,但是在產品測試階段卻非常有用。很多升壓DC/DC轉換器會被用作白光LED燈的驅動,用于手持設備的屏幕背光源。在產品測試的某些階段,驅動電路不一定和屏幕相連接,造成電路負載開路情況。此時若沒有過壓保護功能,轉換器的輸出電容上的電壓就會持續上升,造成轉換器和輸出電容的損壞。

  大部分升壓DC/DC轉換器在輸出端有個檢測電路。一旦輸出電壓超過最大輸出額定值,轉換器會暫時關閉,使得輸出電壓下降。電壓降低到最大輸出額定值以下某一數值,轉換器又會自動啟動。如果電路一直處于負載開路狀態,輸出電壓將呈現三角波形。這有利于手持設備產品測試時的監測。TPS61080/1具有相同功能的輸出過壓保護。
  
  過熱保護

  基于成本和面積的考慮,手持設備中的DC/DC轉化電路都采用集成MOS開關管的轉換器芯片。并且迷你型的潮流使得產品內部空間變得越來越小,相應的電路線路板設計也變得越來越緊湊,元器件的散熱也變得至關重要。為了保護自身,所有轉換器芯片都會有過熱保護功能。器件如果在使用過程中自身溫度過高,轉換器會自動停止工作并等待溫度降低到額定工作溫度范圍。
  
  軟啟動

  軟啟動的作用在于防止轉換器啟動時產生的瞬間大電流。如果沒有軟啟動,瞬間大電流會造成電池電壓低于工作額定電壓。手持設備系統會實時監測電池電壓,當電壓低于工作額定電壓時,系統報警并關閉整個系統。在啟動階段,升壓DC/DC轉換器會對輸出電容充電,使其快速達到目標電壓,該階段對電池電流會有很大的需求。為了避免在啟動階段對電池電壓過大的沖擊,轉換器內部會有軟啟動機制,限制啟動時的輸入電流,延長啟動時間,保證啟動階段的電路平穩運行。

  相比其他升壓DC/DC轉換器,TPS61080/1提供了更加靈活的軟啟動功能。如圖1所示,芯片的SS引腳以及相連的電容可以設置軟啟動的時間。時間越長,啟動時的輸入電流越小。具體電流計算可以參考TPS61080/1的數據手冊。靈活的軟啟動功能使得TPS61080/1可以適應不同升壓電路的啟動要求。

  上述在升壓DC/DC轉換器中的四種保護功能,能夠使得電源設計變得更加可靠,更加安全。

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