TPS23754输出短路问题分析及解决方案

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标准,最大输入功率可达30W。其主要应用场景包括无线接入点,安防摄像头,IP电话等。该芯片支持反激和有源钳位正激两种拓扑,用户可以根据自身需求选择相应的拓扑。本文针对TPS23754,简介其应用方式以及针对应用中出现的输出短路无法恢复问题进行了分析并提出了解决方案。

1.典型应用简介

PoE (Power Over Ethernet) 指的是在现有的以太网Cat.5布线基础架构不作任何改动的情况下,在为一些基于IP的终端(如IP电话机、无线局域网接入点AP、网络摄像机等)传输数据信号的同时,还能为此类设备提供直流供电的技术[1]。一个完整的POE系统包括供电端设备(PSE, Power Sourcing Equipment)和受电端设备(PD, Powered Device)两部分。

TPS23754是一款集成DC/DC控制器的高效PD芯片,可以支持IEEE 802.3at标准,最大输入功率可达30W。其主要应用场景包括无线接入点,安防摄像头,IP电话等。该芯片支持反激和有源钳位正激两种拓扑,用户可以根据自身需求选择相应的拓扑。反激的优势在于成本较低,而有源钳位正激的优势在于效率较高。具体的设计流程在TPS23754的数据手册中有详细介绍,本文主要针对TPS23754在应用中出现的负载短路无法恢复的问题进行分析讨论并给出了相应的解决方案。

2.TPS23754输出短路无法恢复问题

2.1短路解除之后输出电压无法建立问题分析及其解决方案

如Figure 1所示为TPS23754的原理图,PoE输入,输出12V,负载2A,采用反激拓扑。空载状态下,短路系统输出,进入打嗝模式,短路解除之后,系统不能自动恢复正常输出电压,如Figure 2所示,输出电压会超过设定的12V,然后系统掉电,当再次尝试开机时,输出电压再次超过设定的12V,如此反复循环。在1A负载情况下,进行同样的实验,系统在短路解除之后可以进入正常工作状态。 Figure1. TPS23754应用原理图


Figure2.输出异常时VOUT(CH1),PWM(CH2),VC(CH3)波形

由Figure 3可知, 在正常工作之后的典型UVLO电压为15 – 6.5 = 8.5V,应用中 下降到8.2V,然后重新开启充电开启过程。

 Figure3.TPS23754 VC 工作电压范围


Figure4.短路后工作模式分析

Figure4所示,短路解除之后,当 电压从UVLO的下降沿电压开始充电达到上升沿电压15V的过程中,由于 电压在 上升的过程中是正常维持的, 通过阻容网络上拉到 ,同时此时实际输出电压低于设定的输出电压12V,所以 会不断增大直至等于 。当TPS23754开始工作的一瞬间,PWM的占空比为最大的78%,输出电压快速上升。 调整变小,当 时,PWM的占空比为0%,此时TPS23754停止开关动作,输出电压降低,同时 电压降低,当 电压下降到UVLO下降沿之后,开始新一轮的开机尝试。增大输出负载到1A,该现象消失的原因是,由于输出负载的存在,输出电压在TPS23754关断期间能够很快的降到0V,从而再次起机时,能够经历正常的 变化过程,不会出现控制环路饱和的现象。

为解决空载情况下,短路解除之后输出电压无法建立问题,将原理图中的电容C75去除,使得 的容值为 ,输出短路之后, 电压的放电速度和充电速度变快, 电压在 电压从UVLO的下降沿电压开始充电达到上升沿电压15V时不会饱和,从而保证输出电压正常达到12V。

 Figure5.正常恢复的上电波形SW(CH1),VC(CH3)

2.2短路无法进入hiccup模式问题分析及其解决方案

如Figure 6所示,当输出短路之后,PWM的占空比仍然大于0,TPS23754一直处于工作状态,没有进入hiccup模式。这导致在负载短路时,系统无法限制原边的峰值电流,变压器进入饱和状态,变压器温度升高,长期运行会烧毁变压器,损耗系统,这是实际产品无法接受的。分析原因是此时 的电压仍然大于UVLO下降沿,而由于输出短路,输出电压低于设定值, 电压会产生较大的占空比,从而在 电压达到 进行过流保护之前,尝试驱动MOS开通。MOS开通之后,注入能量,给 供电的辅助绕组同样存注入能量, 点放电的速度小于充电的速度, 电压一直无法下降到UVLO下降沿,芯片无法进入hiccup模式。所以需要做的是当输出短路时,要保证 的电压能够正常放电到UVLO下降沿即可保证系统进入hiccup模式。

 Figure6.输出短路原副边电流波形Ip(CH3),IL(CH4) 

Figure7.输出短路时工作波形VDS(CH1),Vsense(CH2),Vgs(CH3) 

由Figure 7可知,当 电压达到 后,驱动信号 延时约100ns变低,在这100ns内,MOS管仍然是打开的。这是由于TPS23754有一个BLNK管脚,通过BLANK外接一个电阻到RTN配置MOS管驱动为高到开始接侧MOS管峰值电流之间的延时。这是为了防止在MOS管开通瞬间有大的电流尖峰,误触发过流保护。该延时与配置电阻的关系如下:

 该设计中配置的电阻为80.6K,因此看到一个约100ns的延时,为了解决 电压在短路时放电能量小于充电能量的问题,减小BLNK电阻到20K,减小MOS管在输出短路时开通的时间。实际测试,在减小BLNK电阻之后,电路能够在输出短路时进入hiccup模式。

4.结论

本文针对TPS23754在输出短路时出现的轻载状态短路解除之后无法恢复输出电压问题以及输出短路无法进入hiccup模式问题进行了分析讨论,从原理上解释了出现这两个问题的原因,并给出了解决方案,保证了芯片的正常使用,提升了系统的可靠性,为TPS23754的使用者提供了设计参考。

参考文献

[1] https://baike.baidu.com/item/PoE/65616

[2] TPS23754 Datasheet, SLVS885I, Texas Instruments.