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有源适配器输入瞬态保护

作者:安森美半导体   Jim Hill  时间:2005-08-13 19:14  来源:本站原创

许多使用电池供电的产品,如手机、数码照相机和便携式DVD播放器可使用车载适配器或交流/直流转换器等外部电源供电。这使产品设计人员面对挑战,须进一步研究当产品从交流电源适配器、车载适配器和其它电源插入或拔出时的各种瞬态行为。本文将从系统角度说明设计人员必须考虑和分析的因素,以免瞬态电源发生意外损坏。

1 适配器热插拔模型

2 5.5V 适配器的仿真结果

3 12V适配器的仿真结果

4 NCP346 过压保护限制了适配器的热插拔振荡

5 输入电容的电压振荡

6 5.5V 适配器热插拔至NCP346 电路保护输入

7 12V 适配器热插拔至NCP346 电路保护的输入设计保护

当适配器从其电池和系统负载上进行热插拔时就会产生瞬态过程。这是由适配器电缆的寄生电感、电缆接口连接器、电流通路中的PCB导线、适配器中的大输出电容以及电池和系统负载的输入电容引起的。如图1所示的子系统模型有助于理解此问题。

如果首先插入适配器,其输出电容CO给适配器的开路电压VADP 充电。当适配器连接到负载时,输入电容CIN的电压为0 V,它通过电缆电容吸收电流。这时,由于电量转移产生了瞬态情况,直至系统达到稳态平衡,稳态时适配器的电压约等于输入电容减去电缆和连接器的电阻损耗。

随后,适配器电缆电容中储存的电量转移至CIN,这加剧了瞬态,并将CIN上的电压进一步提高至超过VADP CIN上的电压最终达到峰值,再降至VADP,然后根据电路情况进行短瞬振荡。这一电压升高值可轻易超过电池和系统负载中元件的最大额定值。

本文对如图1所示的系统进行了仿真,结果说明了标准适配器电缆和不同大小的CIN(分别为110100mF)是如何引起了远大于适配器输出电压的电压尖峰的。5.5V12V适配器的仿真结果分别如图2和图3所示。适配器建模成串联电阻为2W的简单电压源。假设5V 适配器的CO220mF 12V适配器的CO1500mF

从图中可看到,在CIN 和瞬态行为之间,需要有所取舍。CIN较小时,瞬态电压可高达适配器电压的两倍;电容较大时,虽然瞬态电压降低了,但增大了启动电流,从而导致VADP下降。通过增加串联电阻或增大电缆连接电阻,可以限制启动电流,但随之而来的后果是功耗增大以及适配器之后的电压持续下降。齐纳二极管可以限制瞬态电压,但它们并不非常精确,因此难以令保护阈值既高于VADP、又低得足以保护系统负载。

将如图4所示的电路置于VADP VIN之间可以限制启动电流,同时防止系统负载出现高压瞬态和其它高压故障而损坏适配器。NCP346 OUT引脚的低端驱动器电阻一般为100kW,这限制了高端PMOSFET的导通栅电流,使得晶体管的导通可以控制。这样可以减小因启动电流过大,突然导通而产生的振荡。

在没有保护电路的情况下,一个典型适配器热插拔到一个大输入电容时的情况如图5所示。测得的电缆电感和电阻分别为1.3mH0.1W。适配器的输出电容为330mF。根据NCP346的数据表,使用可选电阻分配器可将过压阈值调整至6VVIN的输入电容为 10mF,这是直流-直流转换器可从适配器输入中取得电源的通用输入电容C1。此配置的最大电压为6.84V

如图6所示,增加NCP346 电路既可以减小电容节点的振荡,又能够增加有源过压保护。在图7中,虽然向电路施加了 12V的错误电压,但 VIN_保护没有发生错误,说明如图4所示的电路能够有效地保护系统。

由于终端用户拥有更多的产品,需要比以前更多不同类型的适配器,因此故障发生的可能性也在增加。本文介绍的解决方案能够保护终端用户的产品免受损坏。

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