7272B是一個不完整的型號,但我知道網友在說什么,它是RT7272B的簡稱。根據規格書的定義,RT7272B是一個“3A, 36V, 500kHz Synchronous Step-Down Converter”,其推薦的輸入電壓范圍是4.5V~36V,輸出電壓范圍是0.8V~30V,負載電流可達3A,工作頻率為500kHz,轉換效率可以高達95%。實際上,Buck轉換器的輸出電流能力與其開關管電流限制值密切相關,而RT7272B的這個參數可在2A~6.3A之間調節,所以,我認為RT7272B的可輸出電流能力遠不是3A的描述那么簡單的。說了這么多,和網友的問題有關的參數卻還沒有提到,這項參數是輸入端能夠承受的絕對最大額定值:40V。它在規格書中是這樣表達的:
項目這么多,對我們的主題有用的就是第一行:Supply Input Voltage, VIN___-0.3V to 40V。但我還是喜歡把盡可能多的信息展示出來,對于新手來說,每一條信息都是有用的,我得兼顧到他們的需求,老手就原諒我吧!先謝謝啦!
推薦工作電壓最高36V的器件卻不能在36V輸入下工作,原因已經被網友指出了:浪涌。
什么叫浪涌?百度百科是這樣說的:“浪涌(Electrical surge),顧名思義就是瞬間出現(的)超出穩定值的峰值,它包括浪涌電壓和浪涌電流。”有文字糾結癥的我對這段話不太喜歡,只因為它說到了“值”。沒有測量,哪里來的值呢?正確的描述應該是對現象進行的,但我們最好還是不要去糾結文字問題,你可以自己把這段話轉換為形象的事物來理解,就像這個樣子:
本來平靜的海面,受到來自遠處的水流的沖擊,下面的陸地和海水將水面越抬越高并且開始回流,后來的水流無處可去,它們只好往高處走,最后再將空氣擊穿,狠狠地砸下來,讓巨大的能量得到暫時的宣泄,海面重新回到平靜狀態。
在上面這個圖中,我們把由RT7736構成的AC/DC轉換器和RT7272B構成的DC/DC轉換器連接在一起,構成我們想要談論的系統,讓我們來看看浪涌是如何形成的。
按我的理解,浪涌最容易形成的時候是負載發生急劇變化的時候。如果我們要看RT7272B本身的負載發生急劇變化時的浪涌,我們可以從其規格書中看到:
當RT7272B的負載從3A跳變為0.3A時,其電感中的電流對此變化是沒有準備的,它們將繼續流動,但由于負載已經減小,從電感流出的電流將進入輸出電容并造成電荷的堆積,從而使輸出電壓急劇升高。RT7272B的反饋系統在感知到輸出電壓升高以后將使其占空比降低,減小甚至完全停止向輸出端供應電流,直至輸出電壓恢復到常態才進入正常的連續開關狀態。
借助免費的自動設計、仿真工具Richtek DesignerTM的幫助,我們可以看到上述過程是如何進行的:
當負載電流急劇減小的時候,PWM信號的占空比急劇降低,讓電感電流有機會從高處急速降下來,但這些電流仍然會造成輸出電壓的升高。
這一仿真使用的模型是RT7257的,其控制架構和RT7272B(其模型還沒有建立起來)類似,仿真中使用的電路及其參數如下圖:
負載的突然降低造成的是輸出電壓的升高隆起,而瞬間大電流負載的出現則必然造成DC/DC輸出電壓的下跌和占空比的上升,下圖是仿真系統告訴我們的真相:
跳出DC/DC本身的圈子,我們重新回到開頭提到的大系統里去看問題。
作為負載的DC/DC轉換電路的輸入端總是存在電容的,而電容的內阻總是很低的。當你要把這個電路接入一個開著的電源輸出端時,前級電源輸出電容里現存的電荷就會順著導線以極高的速度流入后級的電容中,能夠限制其速度的因素就是傳輸線的寄生電感和電容的內阻。快速流入的電荷將迅速提升DC/DC輸入端的電壓,但也同時降低了供電源的輸出電壓,于是其反饋電路通知其調整電路加緊響應,開始調集新的能量補充其輸出端的電壓損失使輸出電壓得到提高。
經傳輸線流向負載的電流在傳輸線寄生電感中形成一個慣性系統,即使負載端的電壓已經和電源輸出端的電壓相等了,電流仍然會繼續流動,只是其電流會開始下降而已,但這仍將造成負載端的電壓高過供應端的電壓。高多少呢?不知道,這和多種因素有關:電流、電壓大小及其變化,電容大小、電感大小等等。如果你一定要計算,這些公式你一定會用到:
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。
當負載端的電壓高過供應端的電壓以后,必然形成反向流動的電流。如果這波電流和供電源的自動響應生成的彌補其輸出端電壓損失而生成的電流撞擊在一起,其形成的浪花一定會很好看,它們將共同推高AC/DC輸出端的電壓,而這升高了的電壓最終也一定會出現在DC/DC的輸入端。當AC/DC系統看到輸出電壓太高的時候,它又會調整其占空比試圖使輸出電壓降低,這樣的過程反復進行,我們就可能看到反復波動的電壓振蕩過程。
由波動過程造成的高電壓對IC造成傷害的過程并不需要很久,只要有一個脈沖超過其耐受極限就夠了。這種傷害通常造成芯片內部被擊穿,漏電流出現,功能不再正常,甚至完全失去功用。在最近的一起客訴案件中,日本客戶返回的樣品RT8064就出現了類似的問題,在我們的樣品分析報告中有這樣的內容:
這部分內容提示我們芯片的輸入端出現了異常的漏電現象,而這種損傷在打開芯片封裝以后看起來是這樣的:
這種損傷非常微小,必須借助顯微鏡才能看到,這些照片就是放大以后的結果呈現。
如果一個AC/DC必須面臨某種特殊的負載接入方式,我們就必須對其響應特性進行調節,使之能夠在面對相應的狀況時不要出現過激的反應,避免對其負載造成沖擊。只是這樣的想法在現實中常常是一種奢望,根本沒有實施的可能性。
上面所述的狀況還僅僅是將DC/DC直接接入已穩定的電源輸出端時可能發生的狀況。如果再考慮DC/DC自身的工作和其負載的影響,我們將發現更多。Buck電路的輸入電流是斷續的,而斷續的電流又會在電感上生成電壓尖峰,我們在設計的時候都需要將輸入電容緊靠輸入端放置,就是為了將這樣的問題消滅于無形之中,一旦我們的設計上存有缺陷,其影響就開始表現出來了。
了解了原理以后,我們就可以知道為什么可在36V工作的RT7272B在36V電源下工作時容易出問題,同時,問題的解決之道也可以被提出來。
第一 . 我們應當避免負載的急劇變化,避免供電源的激烈響應過程。要避免負載的急劇變化是不容易的,但我們至少可以確保將RT7272B和電源連接在一起以后再開啟電源,這樣就可以避免突然接入造成的沖擊,只是這樣做是有條件的,你得要把兩個部分裝配在一起。當傳輸線、接插頭都是無法避免的時候,我們可以采取第二種方法。
第二 . 在RT7272B的輸入端設置具有精確觸發電壓的過壓抑制元件,還要保證其具有強大的能量吸納能力,因為你很難保證過壓的狀況不會持續發生,如果其吸納能力太低,可能很快就被燒毀了。(我本來猜想TVS管是可以被用于這樣的場合的,但它們的精度大概不能滿足要求。)
第三 . 終極的解決辦法,把多出來的電壓統統吸收掉,讓RT7272B只能看到干凈的36V電壓,確保其輸入不會超出40V的最高限制。這要怎么做呢?我曾經介紹過一款具有過壓過流限制功能的高耐壓器件——RT1720,其產品名稱就被稱為“具有故障定時器的60V熱插拔控制器”,其輸出電壓最高可為60V,輸入端則可在4.5V~80V的范圍內工作,可以耐受-60V~90V的電壓沖擊,而輸出電流則是根據需要來進行設定的。把這樣的器件和RT7272B結合在一起來進行設計,你就可以把外來的過高電壓統統濾除掉,使RT7272B工作在平安的環境里。
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