避免DC-DC电源输出端带大电容满载启动时发生过流保护的方法

避免DC-DC电源输出端带大电容满载启动时发生过流保护的方法

引言

随着大规模集成电路的核心电压越来越低，所需供电电流却越来越大，用于大规模集成电路供电的DC-DC 开关电源也必须满足在极低输出电压下可提供高达数十安培电流的要求，这给电源设计带来了极大的挑战。实际应用中，DC-DC开关电源往往需要外接一组很大的电容以降低电源在负载变化时在输出端产生的电压跳变，在这种情况下，如果电流检测电路设计不当，在输出端外接很大电容且加满载启动时，就很容易在启动过程中引发过流保护，从而导致DC-DC电源无法正常启动。

电源输出端带大电容满载启动时可能遇到的问题

DC-DC电源在给大规模集成电路供电时，输出电压一般很低，而输出电流却很大。以输出电压为3.3V

的八分之一砖模块为例，现在主流的输出电流规格一般为30A。为了防止输出电压在负载变化时跳变过大，在应用3.3V/30A的八分之一砖模块时，其输出端一般需要外接约10000μF的电解电容。

输出电流以25%的比例变化时，输出电压变化量的计算过程如下。

输出电流的变化为30A×25%=7.5A。

输出端外接10000μF电容时，如果电源的动态恢复时间为100μS，那么在负载发生25%变化时电源输出电压的跳变约为：

对于输出电压为3.3V的开关电源，150mV大约相当于输出电压的4.55%，小于一般集成电路供电要求的±5%，可以满足系统中集成电路的需求。

然而，对于开关电源来说，当输出端的外部接10000μF电容时，在开关电源启动的过程中，输出端不得不持续为这组大电容充电，由于电容的等效阻抗很低，电源相当于被这个10000μF的电容短路，这样就造成开关电源在带大电容启动时一直处于被短路的状态。如果启动电路和过流检测电路设计不当，在这种情况下，很容易造成在带大电容启动时开关电源一直处于过流保护状态(OCP)而无法正常启动和输出额定电压，这一过程如图1所示。

图1 电源输出端带大电容满载启动时出现过流保护现象的曲线

在图中，Channel 2显示的是电源模块在输出端带大电容满载启动时的过流检测信号的幅度。在电源模块启动过程中，过流检测信号的幅度达到了最大1.219V，超过了发生过流保护的门限值(门限值为1V)，所以输出电压在仅上升到约2.5V时就因为发生了过流保护而下降到0V，导致输出电压达不到额定的3.3V，不能完成电源模块的正常启动过程。

避免输出端带大电容满载启动时发生过流保护的办法

开关电源进入过流保护状态的条件是电源的输出电流要超过设定的某个门限值，通常在设计电源的电流检测电路时会把满载工作时的输出电流采样值设置为该设定门限值的80%，以满足在输出电流超过额定负载的120%时，电源就可以进入过流保护状态，同时避免因为输出电流超过额定值而使电源损坏。

然而，这样的电流检测设计也引入一个问题，就是在电源满载启动时，由于电流信号本身就处于约80%的电流门限值，那么在输出端接大电容时，大电容的低阻抗导致电源不得不提供超过额定电流120%的电流来给输出端所接的大电容充电，这样就导致开关电源在输出端外接大电容满载启动时，由于检测到的电流信号超过了电流门限值而进入到过流保护状态。

为解决这一问题，本文从输出电流的检测入手得出一种方法，使启动过程中的电流检测信号在输出端接大电容且满载情况下也不会超过电流门限值。如果把电流采样电路的比例值设置得更小一些，比如把这一比例设置成在正常条件下输出满载时的电流检测值同时只有电流门限值的50%，那么在输出端外接大电容满载启动时，电源不会进入过流保护状态。

但是，这种方式又引入另外一个问题，就是在电源启动后，如果输出端电流达到额定电流的120%，由于电流检测比例偏小，电源将不能及时进入过流保护状态，输出过流值将变得远大于规定的120%，使输出端长时间处于过流情况下，电源可能因而发生损坏。

那么怎样才能既避免出现电源带大电容启动时的过流保护现象，又能在启动后正常执行过流保护功能呢？如图2所示的电路在原理上提供了一种解决这个问题的思路。

图2 电路原理图

图中电路主要由RC延时电路和MOS开关电路组成。其中，R1、C1组成RC延时电路；Q1和R2组成MOS开关电路；T1、D1、R3是常用的电流检测电路，T1是电流转换变压器，用于把大电流信号按照变压器的变比(N：1)转换成一个小电流信号以减小检测电流时耗损在电阻上的功率。

在电源启动过程中，V cc给C1和R1充电，由于C1的通直流阻交流作用，V cc通过C1到达Q1的门极使Q1导通，从而使R2、Q1的串联电路与电流检测电路并联，电流检测电阻的阻值由R3降低到的并联阻值，由此，将电流检测比例降低到正常比例。调整R2的大小就可以把电流检测比例设置为所期望的值。RC延时后，电容C1充分充电，Q1的门极电压降低到开启阈值电压以下，Q1截止，R2、Q1的串联电路与R3的并联断开，电流检测电路的检测比例恢复到了正常输出电流的80%。这样既解决了电源带大电容启动时的过流保护问题，又可以维持正常工作条件下负载电流大于额定电流的120%时的过流保护功能。

实验数据和分析

实验数据和波形如图3所示。在3.3V/30A的八分之一砖DC-DC电源模块中应用图2所示的电路后，在输入48V、输出端接10000μF电解电容、满载30A启动时，输出电压没有出现如图1所示的过流保护现象，电源模块在约1.76ms内稳定上升到额定的3.3V，实现了模块的正常启动。

图3 实验测试波形

在图3中，过流检测信号的幅度最大约为0.969V，小于电流检测门限值1.0V，所以不会触发电源的OCP 过流保护机制，因此电源模块可以正常启动。

正常启动后的过流保护实验证实，增加了图2所示电路的八分之一砖DC-DC 3.3V/30A电源模块在输出端电流超过120%额定电流(约36A)时，电源会进入过流保护状态，避免了电源因长时间工作于过电流状态而可能出现的损坏，实验达到了预期效果。

结语

本文应用电路原理中的RC延时、电容通交流阻直流、电阻并联等基本原理，使用R1、R2、C1、Q1这4个无源器件设计了一种简单的方法，从原理上避免了DC-DC电源输出端带大电容满载启动时的过流保护现象。由于本文提出的方法中仅使用4个无源元件，该方法的实现成本很低；阻容元件选用0603封装，MOS管选用SOT-323封装，4个无源元件的PCB占板面积也非常小，基本不会增加PCB版图的成本压力。

通过在3.3V/30A八分之一砖DC-DC电源模块中的应用实验，验证了该方法的可行性和有效性，实验结果表明达到了预期目标。