應(yīng)用于安全熱插拔的DCDC 轉(zhuǎn)換器

在電源轉(zhuǎn)換器中，輸入電容器通過感應(yīng)電纜饋送到電源。首次插入系統(tǒng)時(shí)，寄生電感會(huì)導(dǎo)致輸入電壓的振鈴幾乎達(dá)到其直流值的兩倍(也稱為熱插拔)。電源轉(zhuǎn)換器輸入阻尼不足和缺乏浪涌控制可能會(huì)損壞轉(zhuǎn)換器。

使用輸入大容量電解電容器來抑制非電池轉(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)的最大直流電壓可達(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 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)低于公布的最大值，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：

我們根據(jù)需求，選擇目標(biāo)阻尼電容器 (C d ) 和阻尼電阻 (R d )。理想情況下， C d應(yīng)該至少是C 1 的三倍。我們?yōu)?C d選擇 150 μF 標(biāo)準(zhǔn)值。

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 1帶有阻尼功能的簡(jiǎn)化輸入濾波器，可防止首次使用電池電源時(shí)出現(xiàn)過大的電壓振鈴，同時(shí)還可防止可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器不穩(wěn)定的諧振。

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)。

圖 2不帶和帶阻尼 0.5Ω 阻尼電阻串聯(lián) C d的熱插拔仿真。

我們通過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：

在我們的例子中，該能量在兩個(gè) 1 Ω 電阻之間平均分配。 54 V IN時(shí) 150 μF 的電容總計(jì)約為 220 mJ，或每個(gè) 1 Ω 電阻器中的電容為 110 mJ。這是一個(gè)稍微嚴(yán)格的假設(shè)，因?yàn)?C d的內(nèi)部 ESR將這些電阻器上的實(shí)際峰值電壓降低了約 4%。

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。

圖 3浪涌額定電阻器額定值示例顯示了大致衰減的指數(shù)波形。

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 μs。尺寸為 2512 SG733A/W3A 的額定浪涌電阻器可以在大約 40 μs 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最大功率，但也會(huì)增加過沖造成的總損耗，如圖 2 所示。包括 10 μH 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

雖然最好的汽車安裝和維護(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。遵循本文中所述的步驟將避免對(duì)系統(tǒng)造成代價(jià)高昂的損壞。