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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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