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作者：Binbin Wang/Wilson Guo/Given Ding

摘要

TPS23754是一款集成DC/DC控制器的高效PD芯片，可以支持IEEE 802.3at標(biāo)準(zhǔn)，最大輸入功率可達(dá)30W。其主要應(yīng)用場(chǎng)景包括無線接入點(diǎn)，安防攝像頭，IP電話等。該芯片支持反激和有源鉗位正激兩種拓?fù)洌脩艨梢愿鶕?jù)自身需求選擇相應(yīng)的拓?fù)?。本文針?duì)TPS23754，簡(jiǎn)介其應(yīng)用方式以及針對(duì)應(yīng)用中出現(xiàn)的輸出短路無法恢復(fù)問題進(jìn)行了分析并提出了解決方案。

1.典型應(yīng)用簡(jiǎn)介

PoE (Power Over Ethernet) 指的是在現(xiàn)有的以太網(wǎng)Cat.5布線基礎(chǔ)架構(gòu)不作任何改動(dòng)的情況下，在為一些基于IP的終端（如IP電話機(jī)、無線局域網(wǎng)接入點(diǎn)AP、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)等）傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)的同時(shí)，還能為此類設(shè)備提供直流供電的技術(shù)[1]。一個(gè)完整的POE系統(tǒng)包括供電端設(shè)備(PSE, Power Sourcing Equipment)和受電端設(shè)備(PD, Powered Device)兩部分。

TPS23754是一款集成DC/DC控制器的高效PD芯片，可以支持IEEE 802.3at標(biāo)準(zhǔn)，最大輸入功率可達(dá)30W。其主要應(yīng)用場(chǎng)景包括無線接入點(diǎn)，安防攝像頭，IP電話等。該芯片支持反激和有源鉗位正激兩種拓?fù)洌脩艨梢愿鶕?jù)自身需求選擇相應(yīng)的拓?fù)?。反激的?yōu)勢(shì)在于成本較低，而有源鉗位正激的優(yōu)勢(shì)在于效率較高。具體的設(shè)計(jì)流程在TPS23754的數(shù)據(jù)手冊(cè)中有詳細(xì)介紹，本文主要針對(duì)TPS23754在應(yīng)用中出現(xiàn)的負(fù)載短路無法恢復(fù)的問題進(jìn)行分析討論并給出了相應(yīng)的解決方案。

2.TPS23754輸出短路無法恢復(fù)問題

2.1短路解除之后輸出電壓無法建立問題分析及其解決方案

如Figure 1所示為TPS23754的原理圖，PoE輸入，輸出12V，負(fù)載2A，采用反激拓?fù)洹？蛰d狀態(tài)下，短路系統(tǒng)輸出，進(jìn)入打嗝模式，短路解除之后，系統(tǒng)不能自動(dòng)恢復(fù)正常輸出電壓，如Figure 2所示，輸出電壓會(huì)超過設(shè)定的12V，然后系統(tǒng)掉電，當(dāng)再次嘗試開機(jī)時(shí)，輸出電壓再次超過設(shè)定的12V，如此反復(fù)循環(huán)。在1A負(fù)載情況下，進(jìn)行同樣的實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)在短路解除之后可以進(jìn)入正常工作狀態(tài)。Figure1. TPS23754應(yīng)用原理圖

Figure2.輸出異常時(shí)VOUT(CH1),PWM(CH2),VC(CH3)波形

由Figure 3可知， 在正常工作之后的典型UVLO電壓為15 – 6.5 = 8.5V，應(yīng)用中 下降到8.2V，然后重新開啟充電開啟過程。

Figure3.TPS23754 VC 工作電壓范圍

Figure4.短路后工作模式分析

如Figure4所示，短路解除之后，當(dāng) 電壓從UVLO的下降沿電壓開始充電達(dá)到上升沿電壓15V的過程中，由于 電壓在 上升的過程中是正常維持的， 通過阻容網(wǎng)絡(luò)上拉到 ，同時(shí)此時(shí)實(shí)際輸出電壓低于設(shè)定的輸出電壓12V，所以 會(huì)不斷增大直至等于 。當(dāng)TPS23754開始工作的一瞬間，PWM的占空比為最大的78%，輸出電壓快速上升。 調(diào)整變小，當(dāng) 時(shí)，PWM的占空比為0%，此時(shí)TPS23754停止開關(guān)動(dòng)作，輸出電壓降低，同時(shí) 電壓降低，當(dāng) 電壓下降到UVLO下降沿之后，開始新一輪的開機(jī)嘗試。增大輸出負(fù)載到1A，該現(xiàn)象消失的原因是，由于輸出負(fù)載的存在，輸出電壓在TPS23754關(guān)斷期間能夠很快的降到0V，從而再次起機(jī)時(shí)，能夠經(jīng)歷正常的 變化過程，不會(huì)出現(xiàn)控制環(huán)路飽和的現(xiàn)象。

為解決空載情況下，短路解除之后輸出電壓無法建立問題，將原理圖中的電容C75去除，使得 的容值為 ，輸出短路之后， 電壓的放電速度和充電速度變快， 電壓在 電壓從UVLO的下降沿電壓開始充電達(dá)到上升沿電壓15V時(shí)不會(huì)飽和，從而保證輸出電壓正常達(dá)到12V。

Figure5.正?；謴?fù)的上電波形SW（CH1），VC（CH3）

2.2短路無法進(jìn)入hiccup模式問題分析及其解決方案

如Figure 6所示，當(dāng)輸出短路之后，PWM的占空比仍然大于0，TPS23754一直處于工作狀態(tài)，沒有進(jìn)入hiccup模式。這導(dǎo)致在負(fù)載短路時(shí)，系統(tǒng)無法限制原邊的峰值電流，變壓器進(jìn)入飽和狀態(tài)，變壓器溫度升高，長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)燒毀變壓器，損耗系統(tǒng)，這是實(shí)際產(chǎn)品無法接受的。分析原因是此時(shí) 的電壓仍然大于UVLO下降沿，而由于輸出短路，輸出電壓低于設(shè)定值， 電壓會(huì)產(chǎn)生較大的占空比，從而在 電壓達(dá)到 進(jìn)行過流保護(hù)之前，嘗試驅(qū)動(dòng)MOS開通。MOS開通之后，注入能量，給 供電的輔助繞組同樣存注入能量， 點(diǎn)放電的速度小于充電的速度， 電壓一直無法下降到UVLO下降沿，芯片無法進(jìn)入hiccup模式。所以需要做的是當(dāng)輸出短路時(shí)，要保證 的電壓能夠正常放電到UVLO下降沿即可保證系統(tǒng)進(jìn)入hiccup模式。

Figure6.輸出短路原副邊電流波形Ip(CH3),IL(CH4)

Figure7.輸出短路時(shí)工作波形VDS(CH1),Vsense(CH2),Vgs(CH3)

由Figure 7可知，當(dāng) 電壓達(dá)到 后，驅(qū)動(dòng)信號(hào) 延時(shí)約100ns變低，在這100ns內(nèi)，MOS管仍然是打開的。這是由于TPS23754有一個(gè)BLNK管腳，通過BLANK外接一個(gè)電阻到RTN配置MOS管驅(qū)動(dòng)為高到開始接側(cè)MOS管峰值電流之間的延時(shí)。這是為了防止在MOS管開通瞬間有大的電流尖峰，誤觸發(fā)過流保護(hù)。該延時(shí)與配置電阻的關(guān)系如下：

該設(shè)計(jì)中配置的電阻為80.6K，因此看到一個(gè)約100ns的延時(shí)，為了解決 電壓在短路時(shí)放電能量小于充電能量的問題，減小BLNK電阻到20K，減小MOS管在輸出短路時(shí)開通的時(shí)間。實(shí)際測(cè)試，在減小BLNK電阻之后，電路能夠在輸出短路時(shí)進(jìn)入hiccup模式。

4.結(jié)論

本文針對(duì)TPS23754在輸出短路時(shí)出現(xiàn)的輕載狀態(tài)短路解除之后無法恢復(fù)輸出電壓?jiǎn)栴}以及輸出短路無法進(jìn)入hiccup模式問題進(jìn)行了分析討論，從原理上解釋了出現(xiàn)這兩個(gè)問題的原因，并給出了解決方案，保證了芯片的正常使用，提升了系統(tǒng)的可靠性，為TPS23754的使用者提供了設(shè)計(jì)參考。

審核編輯：何安