如何全面做好电源芯片过压保护？浅谈芯洲科技DCDC转换器OVP功能

时间： 2024-01-03 来源：SCT芯洲科技公众号

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为应对复杂应用环境，开关电源内部集成了多种保护功能，常见的有过流保护、过温保护、输入欠压保护及输出过压保护等。过流及过温保护主要对IC进行保护，防止芯片烧毁；输出过压保护则是为了确保各种应用条件下的输出电压稳定，保证受电端正常工作，不会超过受电端电子器件能承受的最高电压。

由于负载波动等原因，电源很可能会出现过压情况。过压幅度和持续时间是电源设计时时的要考虑的因素，本文将对输出过压可能出现的情况以及解决方式进行展开。

1、输出启动

无软启动带来影响

开关电源刚启动时输出电压为0，当没有输出软启动时，反馈环路将快速调节使开关电源以最大输出能力为输出电压充电。由于环路响应速度原因，当输出电压到达设定值后占空比会在一段时间后才降低到正常状态（比如电流模式控制的COMP电压调整）。占空比调节期间输出将出现过压，过压大小与占空比调节速度相关。

软启动电路实现方式

针对此情况开关电源通常会设计软启动电路。通过软启动电路实现输出电压缓慢升高到设定值，从而防止输出过压。

软启动电路实现方式多种多样，降压转换器软启动电路实现以SCT2432Q为例。如图1所示，SCT2432Q内部反馈误差放大器（EA）除反馈电压FB和基准电压VREF外引入SS（软启动电压），误差放大器将FB与VREF和SS两者之间低的一方进行比较。SS电压通过内部恒流源（典型值3μA）对外部电容充电所产生，刚启动时时SS电压从0开始缓慢增加，反馈电压FB与SS电压进行比较实现FB跟随SS电压即实现输出电压的线性上升。

可根据上电时序要求、输出电容大小等因素选取SS电容以满足系统要求。

图1 SCT2432Q内部软启动逻辑框图

图2_SCT2432Q Vout与SS电压等比例对应

2、负载快速阶跃

负载阶跃过压产生原因

在开关电源工作过程中，当后级负载突然断开或快速降低时，输出电压可能会出现过冲现象。产生原因如下：

当稳态工作时电感电流平均值与负载电流相同。当负载突然减小时，转换器通过调节占空比降低电感电流平均值。如果负载变化缓慢降低（电感电流速度与负载变化速度相同）则输出电压不会出现过压；但当负载降低速度快于电感电流速度时，多余的能量将积累到输出电容上出现过冲。

常见OVP功能实现方式

加快环路调节速度有利于降低过压值，选型时可以考虑带COMP管脚的型号，同时电源芯片一般都具备OVP功能。以SCT2432Q为例，内部集成过压保护比较器，当反馈电压FB值大于基准电压VREF的110%时（反应时间μS级），过压保护比较器翻转钳位内部逻辑使开关管停止震荡，供电端能量无法传递到输出端，从而实现过压保护。但此时电感电流可能不为0，仍存在能量向后级释放，使输出电压仍有上升。

图3 SCT2432Q内部OVP功能逻辑框图

图4 SCT2432Q负载快速跳变过压保护功能

3、最小占空比限制

对于BUCK、BOOST电路而言通常最小导通时间限制了最小占空比。

根据伏秒平衡公式可计算当前输入条件下转换的最小输出电压，当设置电压＜最小输出电压时，将出现过压现象。此时更多由OVP功能进行保护，输出电压升高至OVP高阈值时停止开关，输出电压下降；当下降至OVP低阈值时，重新开始工作，此时输出电压更像是工作在迟滞模式。此情况多出现于高频小转换比工作状态。

图5 SCT2432Q 最小占空比限制工作状态

4、输入电压大幅度快速变化

输入电压变化导致输出过压

某些复杂工况下输入电压会出现大幅度快速变化，汽车应用常见的发动机启动瞬间线路存在压降（波形参考ISO 7637-2 PULSE 4），对于一级DCDC转换器，此时输入电压由正常值跌落然后快速恢复。

若输入电压跌落最低值＜输出电压设定值，且输入＞欠压阈值，此时转换器将调节至最大占空比状态；当输入电压快速回升到正常值时，由于占空比原因电感电流快速升高（通常会升高到电流过流阈值），会使输出电压快速升高；当反馈电压FB升高至基准电压Vref 110%时OVP生效，且OVP生效时电感电流仍存在较大电流残余，能量传递到输出电容，输出电压进一步升高。容易出现高于110%设定值输出电压，对后级负载产生损坏的可能；如果后级负载处于轻载状态，输出电压需要较长时间才能回复至正常值。

解决方案

针对此问题，芯洲科技40V车规级DCDC转换器 SCT2434A/CQ通过优化控制方法，有效避免输入电压快速变化带来的输出过冲甚至过压问题，可实现输出电压的缓慢恢复。

图6 SCT2434CQ输入电压跳变无过压现象存在（频率2.1M 电感2.2μF输出电容44μF）

开关电源出现过压现象的条件多种多样，上述仅讨论常见的几种方式。

对于不同情况给芯片带来的挑战，芯洲科技将不断更新产品、优化设计以适应各种严苛应用。以更加全面的保护功能，涵盖更多复杂应用场景，提高输出电压稳定度，为负载提供更加安全可靠的电源。

SCT2434A/CQ

□ 输入电压：3.6-36V

□ 负载能力：3A

□ 频率：400KHz（AQ）&2.1MHz（CQ）

□ 内置4mS软启动

□ 25μA低静态电流

□ 第二代LDO模式

□ 采用2mm*3mm QFN-12L封装

SCT2434A/CQ即将量产，如有需求可以提供样片测试。

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