DC-DC在車載產品應用中如何避免沖擊電壓的產生

本人在車載多媒體收音機設計中，使用了MITSUMI公司推出的DC-DCMM3630XV，為iPhone、iPad 及其余移動設備的在乘用車上的充電電源或者U 盤及移動硬盤等移動存儲設備供電，該輸出電源規格為: 輸出電壓（+5±5%）V，以USB 接口方式輸出（最大2.5 A）。

1 DC-DC應用初期電路設計

+5 V 輸出電源系統框圖見圖1、應用電路見圖2，MM3630XV 管腳定義見表1。

圖1

圖2

表1

1.1 供電系統說明

由車載電池KL30 經過一定的濾波處理后連接芯片的Pin18、19，作為DC-DC MM3630XV 的輸入電壓，經過3 顆1% 精度的反饋電阻R354=10 k、R355=1.8 k、R356 = 2.2k 的分壓產生FB 反饋信號設定最大帶載2.5 A 的+5 V 的輸出電壓（見圖3、圖4），最終通過USB 接口輸出給外部設備進行車上充電或者U 盤等移動存儲設備提供+5 V 供電。

圖3

圖4

1.2 驗證過程中出現的問題點

在汽車點火啟動過程中，出現一定概率U 盤損壞的嚴重問題。

1.3 波形分析

在汽車點火啟動過程，電池輸出電壓即MM3630XV 的輸入電壓在短時間內快速發生高低波動（見圖7 及表2），于此同時，MM3630XV 的輸出電壓產生了11 V 的瞬態沖擊電壓（見圖6）。

圖6

圖7

表2 參數和規格對照表

1.4 原因分析

1.4.1 MM3630XV內部框圖及說明

在圖8 的是依托中，1 為輸出電容，2 為BS-SW電壓檢測回路，3 是MM3630XV IC 外部泄放電阻，4是MM3630XV IC 內部泄放電阻，5 是Soft start 回路，6 是Hide-Side FET。

1.4.2 正常啟動時序圖

1）正常啟動時序說明

1.4.3 產生沖擊的異常啟動時序圖

1）異常啟動時序說明

圖8

圖9 正常啟動的時序圖

圖10 產生沖擊的異常啟動時序圖

1.4.4 沖擊發生的詳細機理

1）BS-SW 引腳間電壓檢測

IC 內置有BS-SW 間電壓檢測回路。當BS-SW 間電壓> 4 V，High-side FET 管打開，對SW進行升壓，保證V_out 輸出。

2）電壓反饋

作為ERROR AMP 回路的輸入引腳，FB 反饋電壓跟蹤 SS 電壓（V_REF ≦ 0.8 V 典型值），當FB 電壓同步跟隨SS電壓一起達到0.8 V 時，此時如果High-Side FET 導通則輸出V_out = 5 V。出現輸出產生沖擊電壓的條件是：當SS 電壓>FB 電壓，重新啟動后FB 電壓還在放電至0.16 V 的過程中，當FB 放電完成后會快速跟隨SS 電壓上升，導致輸出出現過電壓狀態。（ 詳見1.6.3 異常時序）

綜上MM3630XV 的輸出產生高電壓電平需同時滿足下記兩個條件：

1）V_SS >> V_FB；( 此條件可以理解成，當V_SS 已經達到0.8 V 時，V_FB 還在放電或者剛放電至0.16 V)；

2）(V_BS-V_SW) > 4 V。

圖11

圖12

1.5 對策分析

圖13

1.5.1 V_FB的放電過程及V_SS的充電過程分析

1）放電電容

圖14

2）V_FB的IC外部放電電阻

圖15

3）內部放電電阻

圖16

4）軟啟動時間

軟啟動時間如應用指南所示，是由軟啟動充電電流和SS-GND 引腳間電容決定的，各自的精度如圖17所示。

圖17

2 小結

參數偏差整理結果歸納如圖18 所示。

圖18

其中：

1）①③④影響Vout 放電時間的參數；

2）②影響開關起點的參數（High-side FET）；

3）⑤影響Vss 電壓啟動時間參數.

2.1 計算輸出放電時間

輸出放電時間可用輸出電容、放電電阻、開關起點(電壓) 計算出來。

( 放電時間) = ( 輸出電容)×( 放電電阻)×ln (V_OUT/開關啟動電壓) 例：V_OUT=5 V、開關啟動電壓= 1 V 時

ln (V_OUT/開關啟動電壓) = ln (5 V/1 V) = ln5

由于1.5.1 中第2 部分的RFB電阻阻值遠大于1.5.1中第3 部分的IC 內部放電電阻，所以可以忽略CE=L階段的放電時間，直接按照上述公式計算V_out的放電時間，即得圖19 的結果。所以V_out放電至0.16 V最長時間T_FB為29ms。

圖19

2.2 計算軟啟動時間

軟啟動時間20% 的時間T_SS，即從啟動到0.16 V 的時間。（0.16 V/0.8 V = 20%）

C_ss=0.015 μF, T_ss=C_ss *U/I 得出結果如圖20。

圖20

可見此時T_SSmin（= 0.5 ms）<<T_FB（= 29 ms）, 在CE由H→ L→H 的快速變化過程中，會導致沖擊電壓的產生。

3 對策

將Css 從0.015 μF調整為1 μF后再計算，可得圖21 的結果。

圖20

T_SSmin（= 30 ms）> T_FB（= 29 ms）

3.1 軟啟動電容調節后實機驗證

圖22

4 結束語

通過調整C_ss電容，延長了V_ss的充電時間，規避了在IC再啟動過程中產生沖擊的必要條件：V_SS>>V_FB，從而有效的抑制了沖擊產生。

通過該案例的啟示，研發人員在DC-DC 應用過程中，需充分考慮使用條件，特別是在供電系統易產生波動的環境中，要對Soft start 電容及V_out 泄放電阻的阻值及放電時間進行合理的理論計算，對上電、掉電時序進行充分的驗證，才能避免類似的沖擊產生，保證產品設計的可靠性。

參考文獻:

[1] 任艷頻.DC-DC變換電路原理及應用入門[M].北京:清華大學出版社.

[2] 曲學基,曲敬鎧,于明揚.電力電子元器件應用手冊[M].北京:電子工業出版社.

（本文來源于《電子產品世界》雜志2023年5月期）