DC-DC 電源轉換器保護 : 輸入過低壓保護

欠壓鎖定或稱輸入過低壓保護 (Under Voltage Lockout, UVLO)，是電子轉換器的輸入電源電壓低於正常準位時，保護線路將轉換器強制關閉，保護內部的電路，避免轉換器受損。當輸入電壓過低卻又無相關保護時，轉換器可能會產生錯誤的電壓、邏輯線路可能會產生錯誤的控制訊號，或者是功率半導體元件呈現不完全導通狀態。這在電池供電的應用中特別重要，因為電池的電壓會在放電的過程中降低。如無完善的保護，除了轉換器之外，也會造成電池損壞。

圖1為轉換器在不同輸入電壓對應的操作模式，大致上可以分成兩塊，左半邊為輸入電壓啟動，右半邊為輸入電壓截止。

 

 

啟動的部分可以分成四個操作模式。

1. 當輸入電壓尚未超過最低啟動電壓，此時轉換器無輸出，如圖2中的a區塊。在這個狀態轉換器的輸入電流通常非常低。
2. 由於設定參數時會有些許公差，這個差異的來源可能是零件或溫度誤差。當輸入電壓介於最低與最高啟動電壓之間時，如圖2中的b區塊，轉換器無法確定是否已正常啟動。
3. 當輸入電壓超過最高啟動電壓，但是還沒高於建議的最低工作電壓，如圖2中的c區塊。此時轉換器已啟動，但是在這個區間並不適合滿載輸出，原因為此時的輸入電流會過大。
4. 當輸入電壓高於最低工作電壓，此時轉換器正常運作，如圖2中的d區塊。

 

 

截止也是分成四個操作模式。

1. 圖3中d區塊為轉換器正常運作。
2. 當輸入電壓低於最低工作電壓，但仍高於截止電壓，如圖3中的e區塊，此時轉換器尚未關閉，但仍不適合滿載輸出。原因為輸入電壓不足，導致輸出電壓可能低於規格書標稱電壓。
3. f區塊與圖2的b區塊相同，在設定UVLO參數時，也會有公差。當輸入電壓介於最高與最低截止電壓之間時，轉換器無法確定是否已正常截止。
4. 當輸入電壓低於最低截止電壓，轉換器進入截止狀態，如圖3中的g區塊。在這個狀態轉換器的輸入電流通常非常低。

 

 

應用線路

圖4為輸入過低壓保護的線路圖，EN為控制轉換器啟動的腳位。線路的動作原理是透過IC偵測輸入電壓值，並控制轉換器的啟動狀態。當輸入電壓高於設定值後，轉換器才能正常啟動。從圖中可以看出，IC1透過R1, R2與R3偵測輸入電壓準位。當R3上的跨壓低於IC1的設定電壓，IC1內部的開關導通，將EN的電位拉到低準位，使得後端轉換器截止。當R3上的跨壓高於IC1的設定電壓後，IC1內部的開關截止，EN為開路狀態，後端轉換器可正常運作，達到輸入過低壓保護的功能。

 

 

 

舉個例子，假設當輸入電壓超過8V時，轉換器才啟動，以及選用的IC1設定電壓為2.5V。透過R1, R2, R3的分壓，可以得到以下公式

再假設R1, R2電阻為10kΩ，並帶入公式

最後可以得到  

另外，在設計時也要注意當輸入電壓達最大值時，IC1的電壓不能超過規格的上限。因此，可以使用齊納二極體將R2與R3之間的電壓箝位。假設IC1設定電壓最大不能超過5V，透過分壓公式可以得到ZD1上的電壓不能超過10.5V。因此，ZD1就必須選用10V左右的齊納二極體。

另一種過低壓保護線路可以參考圖5，這個線路的動作原理是，當輸入電壓到達設定值後，開關導通並提供正確的電壓值給轉換器。從圖中可以看出，Q1啟始狀態為截止，必須要透過Q2將Q1的gate電壓拉到低準位，Q1才會導通。Q1的導通與否，是透過設定R1、R2與R3的分壓值決定。

 

 

舉個例子，假設當輸入電壓超過8V時，才將Q1導通，以及選用的Q2 Vgs為1.5V。透過R1, R2, R3的分壓，可以得到以下公式

再假設R1, R2電阻為10kΩ，並帶入公式

最後可以得到

ZD1是將Q1的Vgs電壓箝在規格值內的齊納二極體。C1的用處是避免雜訊干擾以及增加Q1的啟動時間，降低啟動時的突波電流。

實際範例

          接下來先使用圖6的線路，並搭配轉換器，實現輸入過低壓保護的功能。首先預設當輸入電壓約在7.5V時，轉換器截止，選用的IC動作電壓為2.3V。透過公式計算後，可以得到R1=100kΩ、R2=88.7 kΩ、R3=82 kΩ，再將參數帶回公式可以得到啟動電壓約為8.5V。

實際測試波形如圖7所示。當輸入電壓從0V往上爬升到設定電壓之前，輸入過低壓保護將轉換器關閉，轉換器無輸出。當輸入電壓達8.4V時，此時已達到設定電壓，因此轉換器正常輸出。當輸入電壓往下降至7.84V，輸入過低壓保護線路動作，將轉換器關閉，避免輸入電流過大造成轉換器損壞。

 

 

至於沒有遠端控制功能的轉換器，也可以透過圖8的外接線路，控制轉換器的輸入電壓，實現輸入過低壓保護。首先預設輸入電壓在10.5V時，轉換器截止。選用的Q2 Vgsth最低為1V，最高為2.5V，常態大約在1.5V左右。透過公式計算後，可以得到R1=100kΩ、R2=100 kΩ、R3=30 kΩ，再帶回公式可以得到啟動電壓大約在11V。

實際測試波形如圖9所示。當輸入電壓從0V上升到設定電壓之前，Q1不導通，轉換器無輸入與輸出電壓。當輸入電壓達11V時，Q1導通，轉換器正常運作。當輸入電壓往下降至10.84V時，輸入過低壓保護線路動作，將Q1關閉，轉換器截止。

 

 

結論

具備輸入過低壓保護的轉換器，當輸入端電壓還在建立或者是到還未到穩定階段，轉換器不會動作。這個好處是輸入電源可以將轉換器的輸入電容幾乎完全充電，可以降低轉換器啟動時造成的輸入電壓降。另外，轉換器也能在輸入電壓降低到某一定值之前，將轉換器關閉，避免過大的輸入電流造成轉換器損壞。

 

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