许多使用电池供电的产品，如手机、数码照相机和便携式DVD播放器可使用车载适配器或交流/直流转换器等外部电源供电。这使产品设计人员面对挑战，须进一步研究当产品从交流电源适配器、车载适配器和其它电源插入或拔出时的各种瞬态行为。本文将从系统角度说明设计人员必须考虑和分析的因素，以免瞬态电源发生意外损坏。
图 1 适配器热插拔模型
图 2 5.5V 适配器的仿真结果
图 3 12V适配器的仿真结果
图4 NCP346 过压保护限制了适配器的热插拔振荡
图5 输入电容的电压振荡
图 6 5.5V 适配器热插拔至NCP346 电路保护输入
图 7 12V 适配器热插拔至NCP346 电路保护的输入设计保护
当适配器从其电池和系统负载上进行热插拔时就会产生瞬态过程。这是由适配器电缆的寄生电感、电缆接口连接器、电流通路中的PCB导线、适配器中的大输出电容以及电池和系统负载的输入电容引起的。如图1所示的子系统模型有助于理解此问题。
如果首先插入适配器，其输出电容CO给适配器的开路电压VADP 充电。当适配器连接到负载时，输入电容CIN的电压为0 V，它通过电缆电容吸收电流。这时，由于电量转移产生了瞬态情况，直至系统达到稳态平衡，稳态时适配器的电压约等于输入电容减去电缆和连接器的电阻损耗。
随后，适配器电缆电容中储存的电量转移至CIN，这加剧了瞬态，并将CIN上的电压进一步提高至超过VADP。 CIN上的电压最终达到峰值，再降至VADP，然后根据电路情况进行短瞬振荡。这一电压升高值可轻易超过电池和系统负载中元件的最大额定值。
本文对如图1所示的系统进行了仿真，结果说明了标准适配器电缆和不同大小的CIN(分别为1、10和100mF)是如何引起了远大于适配器输出电压的电压尖峰的。5.5V和12V适配器的仿真结果分别如图2和图3所示。适配器建模成串联电阻为2W的简单电压源。假设5V 适配器的CO为220mF， 12V适配器的CO为1500mF。
从图中可看到，在CIN 和瞬态行为之间，需要有所取舍。CIN较小时，瞬态电压可高达适配器电压的两倍；电容较大时，虽然瞬态电压降低了，但增大了启动电流，从而导致VADP下降。通过增加串联电阻或增大电缆连接电阻，可以限制启动电流，但随之而来的后果是功耗增大以及适配器之后的电压持续下降。齐纳二极管可以限制瞬态电压，但它们并不非常精确，因此难以令保护阈值既高于VADP、又低得足以保护系统负载。
将如图4所示的电路置于VADP 和 VIN之间可以限制启动电流，同时防止系统负载出现高压瞬态和其它高压故障而损坏适配器。NCP346的 OUT引脚的低端驱动器电阻一般为100kW，这限制了高端P沟MOSFET的导通栅电流，使得晶体管的导通可以控制。这样可以减小因启动电流过大，突然导通而产生的振荡。
在没有保护电路的情况下，一个典型适配器热插拔到一个大输入电容时的情况如图5所示。测得的电缆电感和电阻分别为1.3mH和0.1W。适配器的输出电容为330mF。根据NCP346的数据表，使用可选电阻分配器可将过压阈值调整至6V。VIN的输入电容为 10mF，这是直流-直流转换器可从适配器输入中取得电源的通用输入电容C1。此配置的最大电压为6.84V。
如图6所示，增加NCP346 电路既可以减小电容节点的振荡，又能够增加有源过压保护。在图7中，虽然向电路施加了 12V的错误电压，但 VIN_保护没有发生错误，说明如图4所示的电路能够有效地保护系统。
由于终端用户拥有更多的产品，需要比以前更多不同类型的适配器，因此故障发生的可能性也在增加。本文介绍的解决方案能够保护终端用户的产品免受损坏。
|
|
|
网友评论：（只显示最新10条。评论内容只代表网友观点，与本站立场无关！）