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过流保护器件的浪涌测试

2009-08-28
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中心议题:
  • 过流保护器件的浪涌测试
解决方案:
  • 通过电阻限制电流
  • 输入电感限制峰值电流

对于1.2A限流,通常认为在发生故障或短路时电路保护IC会保持在完全受控状态。而实际情况是,在达到限流条件后通常需要一个延时才能真正关闭开关。发生硬件短路时,电流迅速上升,首先会达到直流限制条件并开始关闭开关(直流限制可以非常精确,但反应速度较慢,较慢的反应速度可以避免浪涌和其它伪故障事件造成开关闭合)。

虽然开关会在短时间内断开,但此时峰值电流可能已经远远高于直流门限。引线寄生电感较低时,电流可能上升更快。请参考图1。

通过电阻限制电流

我们采用具有较低引线电感的MAX1558USB开关,发生硬件短路时,通过芯片内部保护开关实现电流限制。当保护电路最终断开开关时,可以测量到峰值电流(I),这个过程如图2所示。峰值电流流过输入端的寄生电感(LSTRAY),将储存以下能量(E):

E=½×LSTRAY×I²

断路器或保护开关断开后,能量会消耗到哪里呢?

                            
                             图1.该电路表明了硬件短路时的电流路径以及寄生电感驱动下的电流路径

      
 图2.波形显示了具有10µFCBYPASS情况下的短路响应,从VIN波形可以看出:由于电流变化使得输入电压上冲到了8.6V。

从图2可以看出:输入电流(IIN)很快上升到48.8A,然后被限制。开关断开时,可以测量到电流下降的速率,当IIN以20A/µs下降时,VIN将上冲到8.6V(VMAX),可以根据下式计算电路电感:

(VMAX-VIN)=di/dt×LSTRAY

当VMAX-VIN=3.6V,di/dt=20A/µs时,LSTRAY=180nH。

所以,根据E=½×LSTRAY×I²,故障结束时有214µJ的能量存储在LSTRAY中。需要利用旁路电容吸收这部分能量并限制电压的上升。如果选择10µF输入电容,初始电压为5V,初始储能为:

½×C×V²=E

现在,假设所有存储在LSTRAY中的能量最终都转移到输入电容CBYPASS上,那么:

初始能量+寄生能量=最终能量
125µJ+214µJ=339µJ

339µJ是输入电容的最终能量,根据:

½×C×V²=E

或:

½×10µF×V²=339µJ

求解V,得到:V=8.23V。这与图2中的8.6V测量值非常接近。

如果输入旁路电容只有0.1μF,输入电压将上升到具有破坏性的电压值。按照0.1µF重新计算:

初始能量+寄生能量=最终能量
1.25µJ+214µJ=215µJ

并且:

½×0.1µF×V²=215µJ

求解V,得到:V=65.6V!

显然,这个过程将损坏额定电压只有5.5V的器件。对于这种情况下的硬件短路波形如图3所示,注意输出也会上冲到9.8V,这是由于短路后才会断开开关,它也取决于本次测试时的快速di/dt变化。

通常di/dt由功率器件的关断特性决定。对于USB口,电路取决于终端用户—存在任何可能性,但在掌控之内。引起这样极端的快速关断的原因可能是由于电缆断裂、连接器发生问题,或连接过程中的机械故障,如本例所示。
关键字:浪涌测试 
本文链接:http://www.cntronics.com/cp-art/80003078
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