連載系列：立锜科技60V, 3.5A 工業(yè)級(jí) Buck 轉(zhuǎn)換器 RTQ6363 的應(yīng)用信息（續(xù) 2）

本文仍然繼續(xù)上期文章的話題，將 RTQ6363 的應(yīng)用說明翻譯給你做參考，需要復(fù)習(xí)或了解前面內(nèi)容的讀者可點(diǎn)擊下述鏈接進(jìn)行回顧。

使能端的電路結(jié)構(gòu)和 UVLO 的作用機(jī)制

此圖摘錄自 RTQ6363 的內(nèi)部框圖，其中的核心是 Shutdown Logic，如果要把這個(gè)詞翻譯為中文，我會(huì)說“關(guān)機(jī)控制電路”。關(guān)機(jī)控制電路受三個(gè)信號(hào)的控制，它們分別來自使能比較器 Enable Comparator、過熱檢測(cè)電路 Thermal Shutdown 和欠壓鎖定保護(hù)電路 UVLO，關(guān)機(jī)控制電路在收到它們中的任何一個(gè)發(fā)出的不正常信號(hào)時(shí)都會(huì)將整個(gè) IC 的工作停下來以確保安全。

使能信號(hào) EN 端內(nèi)部包含有兩個(gè)電流源 IEN(= 1.2μA) 和 IEN_Hys(= 3.4μA)，它們的供電顯然是來自于電源輸入端 VIN。當(dāng) EN 端處于浮空狀態(tài)時(shí)，來自 IEN 的電流就可使 EN 端處于高電壓的狀態(tài)，也就是說保持 EN 端懸空即可使 RTQ6363 在 VIN 的控制下自動(dòng)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。

如果 EN 端的電壓如上圖所示那樣由外部電路如電阻分壓器供應(yīng)，當(dāng) EN 端電壓高于 Enable Comparator 反相輸入端的電壓 Enable Threshold( VTH_EN = 1.2V ) 以后，Enable Comparator 輸出端便成為高電平使 IEN_Hys 下端的開關(guān)接通，IC 內(nèi)部流入使能端的電流便從 IEN= 1.2μA 增加為 IEN+ IEN_Hys = 1.2μA + 3.4μA = 4.6μA，這些電流都只能向 EN 端子外部流動(dòng)經(jīng)電阻 REN2 入地，這個(gè)過程便會(huì)使 EN 端的電壓發(fā)生一個(gè)跳變，其表現(xiàn)如下圖中的綠色線所示：

同樣地，在 EN 端電壓下降的過程中，流出 EN 端的電流也會(huì)從 4.6μA 變回到 1.2μA，促使這種變化發(fā)生的原因是 EN 端電壓下降到閾值 VTH_EN = 1.2V，這也會(huì)造成 EN 端電壓的跳變，其表現(xiàn)如下圖中的綠線所示：

這樣的設(shè)計(jì)可避免在 EN 電壓上升、下降過程中出現(xiàn)使能狀態(tài)的來回跳變問題，屬于滯回式設(shè)計(jì)，這是規(guī)格書的英文描述中會(huì)出現(xiàn)了Hysteresis 這個(gè)詞的原因。

UVLO 是 Under Voltage Lockout 的縮寫形式，意為欠壓鎖定，是一種保護(hù)功能。上電過程中，當(dāng)電源輸入端 VIN 的電壓低于 UVLO 閾值 VUVLOH= 4.3V 時(shí)，關(guān)機(jī)控制電路使 IC 一直處于關(guān)機(jī)狀態(tài)，直到 VIN 電壓超過這個(gè)閾值以后才容許 IC 進(jìn)入工作狀態(tài)。在 VIN 電壓下降過程中，判斷是否需要關(guān)機(jī)的 UVLO 閾值是 VUVLOL= 3.9V。上升、下降過程中造成 UVLO 輸出發(fā)生變化的閾值電壓不同，同樣可以避免上電和斷電過程中的工作狀態(tài)的不穩(wěn)定，也屬于滯回式設(shè)計(jì)。

過熱關(guān)機(jī)的概念應(yīng)該很容易理解，RTQ6363 容許的內(nèi)核最高溫度是 175℃，超過此溫度便會(huì)發(fā)生過熱關(guān)機(jī)保護(hù)。一旦發(fā)生過熱關(guān)機(jī)保護(hù)，內(nèi)核溫度必須回落 15℃ 以后才會(huì)重啟上電過程。

很顯然，為了確保安全，使能控制、過熱關(guān)機(jī)和 UVLO 對(duì)于關(guān)機(jī)控制電路來說都是一票否決制，只要它們中有一個(gè)提出來要關(guān)機(jī)，實(shí)際的關(guān)機(jī)過程就會(huì)發(fā)生，其作用很像是聯(lián)合國(guó)安理會(huì)的否決權(quán)，一票即可定乾坤。

將 EN 端用于啟動(dòng)電壓和 UVLO 的閾值調(diào)節(jié)

利用上一節(jié)介紹的 EN? 端和 UVLO 的特性，我們可以通過調(diào)節(jié)將 VIN 分壓到 EN 端的電壓比來選擇讓 RTQ6363 進(jìn)入工作狀態(tài)的 VIN 電壓值 VSTART 和停止工作的 VIN 電壓值 VSTOP，具體的實(shí)現(xiàn)電路如下圖：

根據(jù)希望得到的啟動(dòng)和停止的輸入電壓可以得到兩只電阻的計(jì)算公式：

EN 端最高可以承受 60V 的電壓，與 VIN 端的承受能力相同，因此可以在很寬的范圍內(nèi)對(duì)具體參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。應(yīng)用筆記 AN063 里就利用 EXCEL 設(shè)計(jì)工具對(duì)此進(jìn)行了驗(yàn)證，其結(jié)果表現(xiàn)得非常準(zhǔn)確。

軟啟動(dòng)和追隨控制

采用 PSOP-8 封裝的 RTQ6363GSP 沒有可調(diào)的軟啟動(dòng)端子，它的軟啟動(dòng)時(shí)間是內(nèi)部固定的 2ms，這意味著在正常情況下的輸出電壓從額定值的 10% 上升到 90% 會(huì)經(jīng)歷 2ms 的時(shí)間。

RTQ6363GQW 采用 DFN-10L 封裝，這給它留出了保留 SS 軟啟動(dòng)端子的空間。SS 內(nèi)部包含一個(gè) 1.7μA 的電流源 ISS，只要給它外接一只對(duì)地電容，ISS 即可對(duì)其進(jìn)行充電。在上電過程中，當(dāng) SS 端電壓比 FB 端電壓高出 42mV 以后，轉(zhuǎn)換器的主開關(guān)即可進(jìn)入工作狀態(tài)，這樣的設(shè)計(jì)可確保轉(zhuǎn)換器在遇到輸出端已經(jīng)存有一部分電能時(shí)不會(huì)在一開始即進(jìn)入開關(guān)切換工作狀態(tài)，從而保證其啟動(dòng)過程是單調(diào)的上升過程，這種方法在很多規(guī)格書中都有一種描述叫做 Pre-bias start up，我把它翻譯為“預(yù)偏置的啟動(dòng)過程”。

在 IC 工作的時(shí)候，F(xiàn)B 端看到的電壓是要與參考電壓 VREF 進(jìn)行比較的，而 RTQ6363 的 VREF= 0.8V，如果這個(gè) 0.8V 的參考電壓直接進(jìn)入誤差放大器參與誤差檢測(cè)，RTQ6363 的工作過程中便不會(huì)有軟啟動(dòng)過程，其結(jié)果是會(huì)在啟動(dòng)過程中出現(xiàn)較大的輸入電流，這對(duì)向其供電的電源會(huì)是一個(gè)很大的沖擊。為了實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，這個(gè)參考電壓會(huì)先和 SS 端電壓 VSS 進(jìn)行比較，當(dāng) VSS< VREF 時(shí)，真正成為誤差放大器輸入的便是 VSS，而 VSS 是從 0V 開始逐漸上升的，輸入電流就不會(huì)很大，很少有造成電流沖擊的機(jī)會(huì)。

假如我們將一個(gè)外部電壓源引入 SS 端，只要該電壓低于 VREF，它所起的作用便與上面說的軟啟動(dòng)電壓相當(dāng)。如果該電壓源的電壓是變化的，轉(zhuǎn)換器的輸出電壓就會(huì)跟隨它而發(fā)生同樣的變化，這種作用就像追隨一樣，所以 SS 端有另外一個(gè)稱呼 TR，它取自英文單詞 Tracking，這種功能可以被使用在需要多組電源同步或按序啟動(dòng)的應(yīng)用當(dāng)中。

在 RTQ6363 啟動(dòng)過程中，使能端 EN、軟啟動(dòng)端 SS 和輸出電壓 VOUT 之間有下圖所示的關(guān)系。當(dāng) VFB 達(dá)到 VREF 的 94% 時(shí)，PGOOD 內(nèi)部的開漏 MOSFET 會(huì)由導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換為截止?fàn)顟B(tài)，所以我們會(huì)看到 PGOOD 信號(hào)在輸出電壓上升到額定電壓的 94% 時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖?，這是因?yàn)樗驯浑娮枭侠聊硞€(gè)電壓源的結(jié)果。

按照 RTQ6363 規(guī)格書的定義，它的輸出電壓從額定電壓的 10% 上升到 90% 需要的時(shí)間被稱為軟啟動(dòng)時(shí)間，其計(jì)算公式為：

其中的 CSS/TR 是 SS/TR 端外接的軟啟動(dòng)電容的容量。

假如 RTQ6363 遇到了負(fù)載太重和輸出電容太大的狀況，即使軟啟動(dòng)過程已經(jīng)結(jié)束了，它的輸出電壓也無法達(dá)到額定的電壓，這樣就可能會(huì)進(jìn)入輸出電壓欠壓保護(hù)狀態(tài)。所以，CSS/TR 應(yīng)該足夠大，以便確保軟啟動(dòng)過程結(jié)束時(shí) COUT 已經(jīng)被完全充滿了電，滿足這個(gè)要求的軟啟動(dòng)電容值計(jì)算公式如下：

其中的 ICOUT_CHG 是對(duì) COUT 進(jìn)行充電的電流，它與工作頻率、電感量、上橋開關(guān)的峰值電流限制值及負(fù)載電流有關(guān)。通過一個(gè)軟啟動(dòng)過程對(duì)輸出電壓進(jìn)行提升的過程都會(huì)遇到器件參數(shù)的極限值，說明軟啟動(dòng)并不意味著就是在以比較微弱的方式發(fā)力對(duì)輸出電壓進(jìn)行提升，它們也很可能是用了很大的力的，具體的狀況是與許多因素有關(guān)的，其重點(diǎn)在于軟啟動(dòng)過程降低了對(duì)輸出電壓提升速度的要求，這就相應(yīng)地降低了器件們需要努力工作的強(qiáng)度，是一種以時(shí)間換空間的戰(zhàn)術(shù)，使得系統(tǒng)有足夠的能力去輕松提升輸出電壓。

輸出欠壓保護(hù)

過載和輸出短路都會(huì)造成輸出電壓的降低，RTQ6363 需要持續(xù)監(jiān)測(cè)輸出電壓的反饋信號(hào) VFB 來實(shí)施輸出欠壓保護(hù)。為了避免和軟啟動(dòng)過程產(chǎn)生沖突，這項(xiàng)工作會(huì)在 VSS/TR 超過 1.2V 以后開始進(jìn)行，若發(fā)現(xiàn) VFB 低于欠壓保護(hù)閾值（ 0.5 x VREF，典型值），欠壓比較器的輸出就變?yōu)楦唠娖剑@就意味著進(jìn)入輸出欠壓保護(hù)狀態(tài)了，此后的上橋開關(guān)就會(huì)進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，輸出端不能得到能量補(bǔ)充，輸出電壓就只有下降的機(jī)會(huì)而不可能再上升。

在輸出欠壓保護(hù)狀態(tài)下，SS/TR 端內(nèi)部一個(gè)電流源 ISS_DIS( = 0.5μA ) 會(huì)對(duì) CSS/TR 進(jìn)行放電操作。當(dāng) SS/TR 端電壓被放電到 54mV 時(shí)，RTQ6363 便會(huì)開始一次新的軟啟動(dòng)過程，前述的電流源 ISS 會(huì)開始對(duì) CSS/TR 進(jìn)行充電操作。

VSS/TR 從 1.2V 降低到 54mV 的時(shí)間長(zhǎng)度可用下述公式進(jìn)行計(jì)算：

這個(gè)計(jì)算所得到的時(shí)間長(zhǎng)度是軟啟動(dòng)過程結(jié)束時(shí)便發(fā)生輸出欠壓保護(hù)到重新開始嘗試軟啟動(dòng)需要經(jīng)歷的時(shí)間，這段時(shí)間是幾乎不會(huì)有輸入端能量消耗的階段。

在正常情況下的 RTQ6363 會(huì)將 CSS/TR 充電到多高的電壓呢？規(guī)格書沒有給出指標(biāo)，但我們可以從規(guī)格書中的波形圖里觀察到這個(gè)數(shù)據(jù)是超過 5V 的，由此數(shù)據(jù)可以推知：如果過載和短路的發(fā)生是在正常工作期間發(fā)生的，從事件的發(fā)生導(dǎo)致發(fā)生輸出欠壓保護(hù)到再次重啟動(dòng)的時(shí)間是很長(zhǎng)的，因?yàn)檐泦?dòng)電容的放電需要很長(zhǎng)時(shí)間，其數(shù)值至少有

如果過載和短路發(fā)生在軟啟動(dòng)結(jié)束后 VSS/TR 還沒有上升到最高電壓 5V 的這一段時(shí)間內(nèi)，此時(shí)便有 1.2V < VSS/TS < 5V，相應(yīng)的軟起動(dòng)電容放電時(shí)間便會(huì)處于上述兩個(gè)公式的計(jì)算值之間。規(guī)格書中提供的一個(gè)波形圖（見下圖）里顯示的輸出短路發(fā)生在軟起動(dòng)結(jié)束以后的正常工作時(shí)間里，VSS/TR 是從高于 5V 的地方開始被放電的，于是便可看到 RTQ6363 在很長(zhǎng)的一段時(shí)間都處于靜默狀態(tài)，此后才開始嘗試著軟啟動(dòng)，并且反復(fù)進(jìn)行著靜默、啟動(dòng)、靜默、啟動(dòng)的過程，直至輸出短路的狀況被撤除以后才能恢復(fù)正常狀態(tài)。

在輸出欠壓保護(hù)發(fā)生的情況下，RTQ6363 僅在嘗試軟起動(dòng)的時(shí)間段內(nèi)才會(huì)消耗能量，對(duì) CSS/TR 進(jìn)行放電的時(shí)間段里消耗的能量是很少的，這就避免了過載和短路可能造成的風(fēng)險(xiǎn)，而它的這種反復(fù)嘗試啟動(dòng)的保護(hù)模式也被稱為打嗝模式，因?yàn)槠浔憩F(xiàn)與我們的打嗝實(shí)在是太像了。（未完待續(xù)）

轉(zhuǎn)載自RichtekTechnology。