安全熱插拔 DC/DC 轉(zhuǎn)換器
出處:網(wǎng)絡(luò)整理 發(fā)布于:2024-02-21 16:20:36
使用輸入大容量電解電容器來(lái)抑制非電池轉(zhuǎn)換器的輸入電壓,可以防止首次使用電池電源時(shí)出現(xiàn)過(guò)多的電壓振鈴,同時(shí)還可以防止可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器不穩(wěn)定的諧振。隨著傳統(tǒng) 12 V 汽車電池轉(zhuǎn)向 24 V IN和 48 V IN系統(tǒng),適當(dāng)抑制輸入的需求變得更加重要。12V 電池系統(tǒng)通常使用額定電壓為 40V 或更高的組件,以承受負(fù)載突降條件下的短時(shí)電壓尖峰。這些 12 V 系統(tǒng)的直流電壓可達(dá) 18 V DC。熱插拔可能會(huì)導(dǎo)致輸入振鈴,電壓接近輸入的兩倍,例如 36 V。這遠(yuǎn)低于 40 V 或更高額定值的組件。然而,在穩(wěn)態(tài)輸入電壓可達(dá) 54 V 的 48 V 系統(tǒng)中,輸入振鈴可能超過(guò) 100 V,從而損壞額定電壓為 80 V 的組件。
對(duì)于傳統(tǒng)的 12 V 系統(tǒng),人們通常假設(shè)阻尼電容器具有足夠的有效串聯(lián)電阻 (ESR) 來(lái)抑制諧振。但是,對(duì)于低成本鋁電解電容器,實(shí)際有效 ESR 通常遠(yuǎn)低于公布的值,導(dǎo)致在使用電池供電時(shí)阻尼更小,振鈴更大。對(duì)于 12 V 系統(tǒng),降低的阻尼可能仍足以防止下游 DC/DC 不穩(wěn)定,并且振鈴不會(huì)造成損壞。然而,在更容易受到振鈴影響的 48 V 系統(tǒng)中,您可以添加與輸入阻尼電容器串聯(lián)的分立電阻。根據(jù)穩(wěn)態(tài)紋波電流,尺寸 0603(1608 公制)應(yīng)該足夠。
在圖 1中,現(xiàn)有 DC/DC 轉(zhuǎn)換器輸入濾波器的 L1 和 C1 值產(chǎn)生由公式 1 表示的諧振:

公式 2 表示目標(biāo)阻尼電阻:

對(duì)于阻尼電阻 (R d ),添加兩個(gè)并聯(lián)的 1 Ω 電阻與 C d串聯(lián)。

圖 2顯示了在不添加和添加與 C d串聯(lián)的 0.5Ω 阻尼電阻的情況下的模擬熱插拔響應(yīng)。

我們通過(guò)使用正確的阻尼電阻器和電容器組合實(shí)現(xiàn)了輸入濾波器的阻尼。然而,有一個(gè)方面很容易被忽視。在實(shí)驗(yàn)室中,我們經(jīng)歷了熱插拔電源時(shí)阻尼電阻 (R d )的損壞。我們意識(shí)到阻尼電阻器的峰值功率由公式 3 表示:

對(duì)于 54 V 電壓下的 1 Ω 電阻器,每個(gè)電阻器的峰值約為 2,900 W。此外,電阻器在很短的時(shí)間內(nèi)消耗的能量幾乎與阻尼電容器(C d )中存儲(chǔ)的能量相同。阻尼電容器中存儲(chǔ)的能量由公式 4 表示:

將實(shí)際浪涌映射到浪涌額定值圖中的曲線并不簡(jiǎn)單。實(shí)際浪涌曲線大致呈衰減指數(shù)波形,而電阻器額定值假定固定持續(xù)時(shí)間的恒定功率,如圖3所示。

保守的方法是將電阻器中消耗的總能量除以峰值功率。然后,您可以根據(jù)電阻器的浪涌額定值圖檢查產(chǎn)生的脈沖持續(xù)時(shí)間。計(jì)算出的脈沖將比實(shí)際脈沖更劇烈,實(shí)際脈沖是相同的加熱能量分布在更長(zhǎng)的時(shí)間范圍內(nèi)。對(duì)于我們的例子,在每個(gè)電阻器中,110 mJ 除以 2,900 W 等于 38 ?s。尺寸為 2512 SG733A/W3A 的額定浪涌電阻器可在大約 40 ?s 內(nèi)處理 4.5 kW 的功率,這意味著該封裝電阻器適合此應(yīng)用。采用相同 2512 封裝的通用電阻器的額定功率比浪涌額定電阻器低一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。
該計(jì)算確實(shí)忽略了串聯(lián)電感效應(yīng)。電感器會(huì)減緩流入電阻器的電流上升速度并降低功率,但也會(huì)增加過(guò)沖造成的總損耗,如圖 2 所示。包括 10 H 電感器在內(nèi)的仿真結(jié)果顯示,電阻器中的峰值功率從計(jì)算功率為 2.9 kW,但電阻器中的總能量比之前計(jì)算的 110 mJ 高 17%。額定值曲線顯示,允許的能量遵循峰值功率比的負(fù)三分之二次方。因此,峰值功率降低 30% 會(huì)使損耗增加 27%,并且我們的計(jì)算對(duì)于沒有串聯(lián)輸入電感和有串聯(lián)輸入電感都保持保守。
避免熱插拔故障
雖然的汽車安裝和維護(hù)實(shí)踐將避免熱插拔,但人們認(rèn)識(shí)到這會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤。遵循本文所述的步驟將避免對(duì)系統(tǒng)造成代價(jià)高昂的損壞。作為您在電源管理領(lǐng)域的合作伙伴,TI 不斷追求突破功耗極限。
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