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直流升壓電路中熱插拔保護電路的原理及實現(xiàn)

發(fā)布時間:2015-05-11 責(zé)任編輯:echolady

【導(dǎo)讀】本文詳細分析了直流升壓電路中熱插拔保護電路的設(shè)計與實現(xiàn)。本文詳解了電路參數(shù)設(shè)計、開關(guān)波形以及設(shè)計實例。經(jīng)驗證,利用熱插拔保護電路芯片,避免了直流升壓電路在輸出過流短路的故障和缺陷,可靠性大大提高。

熱插拔保護電路通常用于服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機、以及其他形式的通信基礎(chǔ)設(shè)施等高可用性系統(tǒng)。這種系統(tǒng)通常需要在帶電狀態(tài)下替換發(fā)生故障的電路板或模塊,而系統(tǒng)照樣維持正常運轉(zhuǎn),這個過程稱為熱插拔(Hot Swapping)。本文將闡述熱插拔控制器的另一種用法,利用熱插拔保護電路具有的過流和短路保護功能,解決開關(guān)直流升壓電路的輸出端保護問題。

1 開關(guān)直流升壓電路的基本原理

開關(guān)直流升壓電路(The Boost Converter或者Step-up Converter),是一種開關(guān)直流升壓電路。輸出電壓高于輸入電壓,輸出電壓極性不變,基本電路圖如圖1所示。

直流升壓電路中熱插拔保護電路的原理及實現(xiàn)
圖1 開關(guān)直流升壓電路

開關(guān)管導(dǎo)通時,電源經(jīng)由電感-開關(guān)管形成回路,電流在電感中轉(zhuǎn)化為磁能貯存;開關(guān)管關(guān)斷時,電感中的磁能轉(zhuǎn)化為電能在電感端左負右正,此電壓疊加在電源正端,經(jīng)由二極管-負載形成回路,完成升壓功能。

輸出過流時,電路會采樣開關(guān)管的峰值電流,減小占空比,導(dǎo)致輸出電壓下降。當(dāng)輸出電壓降到輸入電壓時,過流保護不再受控,保護失效。另外輸出過流點還會隨著輸入電壓升高而變大。當(dāng)輸出短路時,輸入電源會通過電感、升壓二極管形成短路回路,導(dǎo)致電源故障。BOOST電路還有一個缺陷是不方便控制關(guān)閉輸出,當(dāng)控制芯片關(guān)閉,開關(guān)管截止時,輸出仍然有電壓,不像BUCK電路,很方便的將輸出電壓降到0 V.

2 熱插拔控制器的基本原理


熱插拔(Hot-Plugging或Hot Swap)即帶電插拔,熱插拔功能就是允許用戶在不關(guān)閉系統(tǒng),不切斷電源的情況下取出和更換損壞的電源或板卡等部件,從而提高了系統(tǒng)對災(zāi)難的及時恢復(fù)能力、擴展性和靈活性。如果沒有熱插拔控制器,負載端的模塊插拔時,會對電源產(chǎn)生浪涌電流的沖擊,影響電壓的穩(wěn)定與電源的可靠性。這個問題可通過熱插拔控制器來解決,熱插拔控制器能合理控制浪涌電流,確保安全上電間隔。上電后,熱插拔控制器還能持續(xù)監(jiān)控電源電流,在正常工作過程中避免短路和過流。

3 關(guān)鍵電路設(shè)計與實例

3.1電源要求

電源實例如圖2所示,其中的電源輸入9~18 V,額定輸出28 V/1.2 A,過流保護1.5 A.

直流升壓電路中熱插拔保護電路的原理及實現(xiàn)
圖2 電源實例

3.2電路簡介

這是一款用了TPS2491熱插拔控制芯片的升壓電路,帶有輸出過流短路保護,當(dāng)遙控端CTL接地時,電源進入待機模式,輸出為零。

熱插拔控制器包括用作電源控制主開關(guān)的N溝道MOSFET、測量電流的檢測電阻以及熱插拔控制器TPS2491三個主要元件,如上圖2所示。熱插拔控制器用于實現(xiàn)控制MOSFET導(dǎo)通電流的環(huán)路,其中包含一個電流檢測比較器。電流檢測比較器用于監(jiān)控外部檢測電阻上的電壓降。當(dāng)流過檢測電阻上產(chǎn)生50 mV以上電壓的電流將導(dǎo)致比較器指示過流,關(guān)閉MOSFET.TPS2491具有軟啟動功能,其中過流基準電壓線性上升,而不是突然開啟,這使得負載電流也以類似方式跟著變化。
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TPS2491內(nèi)部集成了比較器及參考電壓構(gòu)成的開啟電路用于使能輸出。比較器的開啟電壓為1.35 V,關(guān)閉電壓1.25 V,有0.1 V的滯差保證工作的穩(wěn)定。通過分壓電阻精確設(shè)定了使能控制器所必須達到的電源電壓。器件一旦使能,MOSFET柵極就開始充電,這種電路所使用的N溝道MOSFET的柵極電壓必須高于源極。為了在整個電源電壓(VCC)范圍內(nèi)實現(xiàn)這個條件,熱插拔控制器集成了一個電荷泵,能夠?qū)ATE引腳的電壓維持在比VCC還高10 V的水平。必要時,GATE引腳需要電荷泵上拉電流來使能MOSFET,并需要下拉電流來禁用MOSFET.較弱的下拉電流用于調(diào)節(jié),較強的下拉電流則用于在短路情況下快速關(guān)閉MOSFET.

熱插拔控制器還有一個模塊為定時器,它限制過流情況下電流的調(diào)節(jié)時間。選用的MOSFET能在指定的最長時間內(nèi)承受一定的功率。MOSFET制造商使用圖3標(biāo)出這個范圍,或稱作安全工作區(qū)(SOA)。

直流升壓電路中熱插拔保護電路的原理及實現(xiàn)
圖3 MOSFET安全工作區(qū)

定時器還決定控制器自動重啟的時間,故障導(dǎo)致關(guān)閉MOSFET,經(jīng)過16個振蕩周期后,芯片重新使能輸出。

3.3設(shè)計過程

直流升壓電路中熱插拔保護電路的原理及實現(xiàn)
 
(4)選擇CT

選擇合適的電容,保證輸出啟動時能完成輸出電容的充電且不引起故障保護的動作。

(5)選擇使能啟動電壓

EN端啟動電壓為1.35 V,關(guān)閉電壓為1.25 V.利用此引腳,可以做輸入欠壓保護;設(shè)計分壓電阻為240 kΩ和13 kΩ,開啟電壓為26.3 V,在24.3 V時關(guān)閉。

(6)其他參數(shù)

GATE驅(qū)動電阻,為了抑制高頻振蕩,通常取10Ω;PG端上拉電阻,保證吸收電流小于2 mA,在本設(shè)計中不需要,懸空處理;Vcc端旁路電容,取0.1μF.

電源使能端串聯(lián)一個二極管BAV70,低電平時可以關(guān)閉升壓電路和電源輸出。
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4 測試結(jié)果和各測試點的工作波形

測試結(jié)果為過流保護動作點:1.45 A;輸出長期短路無損壞,短路去除恢復(fù)輸出;遙控端使能工作正常。

上電時各個測試點波形如圖4所示。

直流升壓電路中熱插拔保護電路的原理及實現(xiàn)
圖4 上電波形

圖4中CH2是升壓后的電壓,當(dāng)輸入加電,升壓電路立即工作,很快達到28 V.為了防止后極負載的浪涌電流對MOSFET的沖擊,可以看到驅(qū)動電壓(CH1)是緩慢上升的,輸出電壓(CH3)也是跟隨緩慢上升。在啟動過程中,很明顯看到MOSFET的驅(qū)動電壓不高,MOSFET工作于線性區(qū),同樣可以抑制輸出端電流的增大,有效保護MOSFET在啟動過程中不過載。

正常工作時的各點電壓如圖5所示。由圖5可以看到,正常工作時,輸出電壓(CH3)等于升壓后的電壓(CH2),MOSFET驅(qū)動電壓(CH1)比輸出電壓高了14 V,可以保證MOSFET良好導(dǎo)通,降低熱耗和壓差。

直流升壓電路中熱插拔保護電路的原理及實現(xiàn)
圖5 正常工作波形

當(dāng)負載過流或短路時的波形如圖6所示。由圖6可以看到,當(dāng)輸出過流或短路時,MOSFET驅(qū)動電壓(CH1)迅速下降,導(dǎo)致輸出電壓(CH3)跟著下降,有效的保護電源的安全。經(jīng)過2 s的重啟周期后,驅(qū)動電壓有個小小的試探電壓,如果故障仍然存在,重啟不成功,驅(qū)動電壓又恢復(fù)到零。反之重啟成功,正常輸出。如圖7所示。

直流升壓電路中熱插拔保護電路的原理及實現(xiàn)
圖6 故障保護波形
直流升壓電路中熱插拔保護電路的原理及實現(xiàn)
圖7 電源重啟波形
 
實踐證明,基于TPS2491熱插拔控制器的保護控制電路具有電路簡單可靠,應(yīng)用方便的特點。本電路應(yīng)用于開關(guān)直流升壓電路中,完美解決了原來沒有輸出過流短路保護以及不能遙控輸出的缺陷,收到了良好效果。

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