短路恢复过冲原因及解决方法

汽车电子Buck变换器短路恢复输出过冲分析

刘松, 丁宇, 杨启峰

(万代半导体元件上海有限公司, 上海201203)

摘要：本文详细分析了MOSFET开通延时、电流取样信号延时和前沿消隐时间所决定的系统最小导通时间是峰值电流模式下脉宽限流不能起作用的原因；探讨了用于汽车电子系统降压型Buck变换器在输出短路保护后恢复时输出电压产生过冲的问题，响应慢CCM模式导致COMP脚电压不能迅速放电；讨论了短路时输出二极管和引线电压使电感逐渐饱和的过程。输出过冲前沿尖峰产生于电感和输出电容的谐振，功率管直通导致稳定后输出电压等于输入电压。最后给出了解决此问题的电路和测试结果。实验的结果表明：此电路有效的抑止了短跑恢复中的输出电压过冲。

关键词：变换器，输出过冲，短路恢复，最小导通时间

Analysis of Output Overshooting During Short Circuit Recovery of Buck Converter in Automobile Electronic System

Liu Song, Ding Yu, Yang Qifeng

(AOS Semiconductor Co., Ltd., Shanghai 201203)

Abstract: The reason why cycle by cycle current limit can not function even at peak current mode PWM is analyzed in detail. Output overshooting during short circuit recovery of Buck converter in automobile electronic system is discussed in this paper. The process of the inductor going into saturation gradually owing to drop voltage of catch diode and trace during output short circuit is also discussed. Spike voltage of output at leading edge is caused by the inductor and output capacitance. Power Mosfet holding always on makes output voltage equal to input voltage. The solution to treat this issue and test results are given in the end.

Key words: converter; output overshoot, short circuit recovery, minimum on duration

1 引言

目前在汽车电子系统中，输入使用12V/24V的电压[1]，然后采用Buck 降压变换器，得到5V、3.3V，2.5V，1.8V，1.2V等多种电压以提供给系统的各种逻辑数字芯片，模拟芯片，MCU或DSP的内核、I/O口等负载。系统要求电源芯片在输出短路时要有保护功能，暂态的输出短路状态消除后系统可以恢复。在一些Buck变换器应用中发现，在输出短路恢复的过程中，输出产生过冲，稳定后输出电压等于输入电压，由于汽车电子系统的输入电压高，这样就会损坏后面所带的芯片负载。本文将探讨这些问题及其产生的原因，并给出相应的电路以解决这些问题。

2 短路恢复过程输出过冲

通常在汽车电子系统中的Buck 降压变换器采用纹波电流小、传输功率大和EMI特性好的CCM峰值电流模式控制，同时具有过流和输出短路保护的功能，通过对电感峰值电流的逐周期自动控制，直接限定了电感峰值电流以及电感的平均电流。在输出短路时，保护电路就将其工作频率降到正常频率的1/8左右。因为工作频率较低，电感的平均电流也很低；当瞬态的输出短路状态撤除，变换器经过软启动电路重新启动。在实际的应用中发现，将输出短路再去除短路时，输出会出现较大过冲尖峰，超过输入电压，而且最后稳定到输入电压值。

如图1所示。Buck 变换器输入电压为12V ，输出为5V ，工作频率500kHz 。I L 为电感电流，V COMP 为COMP 脚的电压，V OUT 为输出电压，Vsw 为开关节点电压。

图1：输出短路恢复过程波形

从图中可以看到：输出短路后系统在内部处于保护状态，开关频率降低到48kHz ，短路去除后，输出电压振荡到16V ，然后降低到12V 。而且很明显，在恢复的过程中，电感进入饱和，电感的电流由锯齿波变为一段稳定的电流，其电流值为峰值保护点。

3 输出过冲产生原因分析

在短路过程中，V COMP 电压为高的电压值，系统进入频率折返保护。峰值电流模式具有脉冲限流功能，为什么还要频率折返保护？因为在输出短路时，输出并不完全如同理论分析的那样，输出电压为0，由于续流二极管和引线电阻的存在，实际的输出电压为续流二极管压降F V 和引线电阻压降R V 之和，开关管的开通时间为：S

in R F on f V V V T ∙+=。由于F V +R V 值很小，开关频率越高，on T 越小，on T 小于PWM 具有的最小导通时间)(Min on T 时，上端的主开关管在每个开关周期，导通的时间将维持这个最小导通时间值。

PWM 具有的最小导通时间)(Min on T 的原因在于：开关管MOSFET 的开通有一定的延时，电流的取样信号传送到PWM 比较器也在一定的延时和前沿消隐时间[2]。最小导通时间)(Min on T 必须大于这些延时，否则开关管就不能准确的完全开通。 在开关管关断时：R F L V V dt di L +=∙，低的F V +R V 值导致低dt

di L ，即电感电流的下降斜率很小。当开关管在每个开关周期导通)(Min on T 时间后，由于电感电流的下降斜率很小，

t /20μs/格

i L /5A/格

V SW /6V/格

V COMP /3V/格

V OUT /5V/格