短路測試作為電源開發(fā)的必經(jīng)之路，正在看此文的開發(fā)工程師們是不是最怕“吃雞”?

別慌!今天，擁有數(shù)十年工作(背鍋)經(jīng)驗(yàn)的茂睿芯開發(fā)工程師現(xiàn)身說法，和大家聊聊幾個(gè)常見導(dǎo)致“炸雞”的原因，順便教大家3招!

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一、考慮開關(guān)管的選型

開關(guān)管作為LLC最重要的組成硬件，需要在導(dǎo)通時(shí)流過較大脈沖電流，所以必須確保它在沒有任何損壞風(fēng)險(xiǎn)的情況下工作。那么為了確保開關(guān)管的可靠性，就需要在進(jìn)行開關(guān)管選型時(shí)，因地制宜地考慮它能承受的最大脈沖電流、SOA區(qū)域以及體二極管性能。選型之所以要考慮體二極管，是因?yàn)樵诙搪窌r(shí)也會有很大電流從體二極管流過，特別是短路后進(jìn)入到容性區(qū)域工作，如果體二極管的反向恢復(fù)性能較差，就會存在反向恢復(fù)所產(chǎn)生的電壓應(yīng)力問題，可能會導(dǎo)致“炸雞”。

(圖1 短路測試時(shí)開關(guān)管失效時(shí)的電流波形圖)

圖1是開機(jī)后短路測試時(shí)的開關(guān)管失效電流波形。Y軸是每20A一格，在短路后，電流波形左起在第5個(gè)周期處已經(jīng)接近到40A，最后一個(gè)波形處先負(fù)25A后正40A的電流流過開關(guān)管，在不到5us內(nèi)，流過開關(guān)管的電流高達(dá)70A，因?yàn)殡娏鬟^大而導(dǎo)致開關(guān)管的損壞。所以在考慮開關(guān)管選型時(shí)，需要了解當(dāng)短路發(fā)生時(shí)，開關(guān)管需要承受的短時(shí)間最大脈沖電流，以及容區(qū)工作時(shí)反向恢復(fù)的問題。

二、考慮諧振電感的飽和

諧振電感相信大家都不陌生，一般情況下，它是采用鐵氧體材質(zhì)的磁芯加入氣隙來繞線制成電感來進(jìn)行使用，要求鐵氧體磁芯的磁通密度在極限時(shí)不超出0.36T。考慮到短路時(shí)諧振電流可能要比正常工作時(shí)的電流大2倍多，因此建議在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)磁芯的磁通密度不要高于0.18T，為過流和短路時(shí)留出足夠的安全余量。另外還有一種流行的設(shè)計(jì)方法是，使用粉芯材質(zhì)(高頻低損耗類型的磁粉芯材料)來做諧振電感，這樣氣隙分散，也有利于散熱處理。由于磁粉芯材質(zhì)的磁通飽和密度較之鐵氧體材質(zhì)會大很多，因此在過流和短路工況時(shí)，使用磁粉芯制成的電感會比鐵氧體材質(zhì)的電感在系統(tǒng)上具有更高的可靠性。

曾經(jīng)某一位茂睿芯工程師在做短路測試時(shí)，出現(xiàn)流過電感的電流達(dá)到70A，而且控制器的開關(guān)頻率已經(jīng)在快速拉升，正常情況下電流應(yīng)該得到控制，但是實(shí)際測試發(fā)現(xiàn)諧振電流在5個(gè)開關(guān)周期已經(jīng)爬升至70A，最后發(fā)現(xiàn)這是由于諧振電感飽和而引起。即使控制器在努力提升頻率加大諧振腔的阻抗，但諧振電感已經(jīng)飽和而不再具有電感特性，也就不能阻礙流過的電流。所以在設(shè)計(jì)諧振電感時(shí)，需要仔細(xì)考慮短路時(shí)諧振電感飽和的問題，避免“炸雞”。

三、考慮控制器的短路保護(hù)策略

圖2是茂睿芯MK2189內(nèi)部功能框圖，其中Isen引腳內(nèi)部有兩個(gè)比較器用作過流和短路保護(hù)，SS引腳內(nèi)部有120Ω電阻為CSS電容放電，在過流和短路保護(hù)策略中主要是使用這兩個(gè)引腳的功能。

(圖2 MK2189功能框圖)

控制器的Isen引腳持續(xù)監(jiān)測諧振電流平均值，它的保護(hù)策略是每當(dāng)該引腳的電壓高于0.8V時(shí)，SS引腳內(nèi)部會使用120Ω電阻為CSS電容放電，讓CSS的電壓開始下降，同時(shí)軟起動頻率設(shè)定電阻RSS同步拉RF引腳電流，使開關(guān)頻率提升起來。此時(shí)諧振腔因?yàn)殚_關(guān)頻率的拉升而阻抗變大，從而使得整個(gè)諧振腔的電流得到降低，直到CS引腳的電壓低于0.75V后SS引腳停止為CSS電容放電，系統(tǒng)工作頻率恢復(fù)到由反饋控制。 除此以外，為了防止繞組短路或次級整流開關(guān)失效，Isen引腳電壓會快速爬升至1.5V以上使控制器直接關(guān)閉PWM輸出，進(jìn)入到故障重啟流程從而避免“炸雞”。

(圖3 電流采樣原理圖)

在實(shí)際應(yīng)用工程中，往往是通過感測諧振電容電壓從而提取諧振電流信號，之后再將其使用低通濾波得到諧振電流平均值。那么會出現(xiàn)兩種情況，第一種是濾波器的時(shí)間常數(shù)太慢會導(dǎo)致過流保護(hù)響應(yīng)不及時(shí)，而另一種則是太快又容易被浪涌電流觸發(fā)導(dǎo)致輸出電壓不穩(wěn)。關(guān)于這個(gè)濾波器時(shí)間常數(shù)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)值參考從短路開始到第4~6個(gè)開關(guān)周期后控器能夠執(zhí)行過流或短路保護(hù)即可。

(圖4 短路保護(hù)時(shí)諧振電流波形圖)

圖4是短路保護(hù)測試時(shí)的一個(gè)波形圖，可以看到從短路發(fā)生到電流受到控制共耗時(shí)5個(gè)開關(guān)周期，用時(shí)約50us，電流最大值為33.6A(屬于26NM60DM2的可靠工作區(qū)域)。這種直接低阻抗短接輸出正負(fù)還不算是LLC短路測試時(shí)最嚴(yán)峻的情況，更惡劣的情況是使輸出正負(fù)處于短路和非短路之間跳火的狀態(tài)(比如使用銼刀摩擦正負(fù)端子)，這相當(dāng)于在挑戰(zhàn)電流低通濾波器、控制器、開關(guān)管、諧振電感和輸出整流器的可靠運(yùn)行區(qū)域，在此種情況下短路保護(hù)依然能可靠執(zhí)行，那該電源的設(shè)計(jì)即使在短路工況下也不會“炸雞”。

以上3點(diǎn)關(guān)于LLC短路測試的解決方法希望能給到工程師們一些啟示，同時(shí)歡迎大家批評指正，一起溝通行業(yè)相關(guān)知識，共同進(jìn)步!

審核編輯：湯梓紅