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[参考译文] ALM2403-Q1:对 ALM2403Q1输出的36V 快捷方式提供过压保护

Guru**** 1093020 points
Other Parts Discussed in Thread: OPA564-Q1, ALM2402F-Q1, ALM2403-Q1
请注意,本文内容源自机器翻译,可能存在语法或其它翻译错误,仅供参考。如需获取准确内容,请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

https://e2e.ti.com/support/amplifiers-group/amplifiers/f/amplifiers-forum/1226577/alm2403-q1-overvoltage-protection-for-alm2403q1-output-shortcut-to-36v

器件型号:ALM2403-Q1
主题中讨论的其他器件:ALM2402F-Q1、、OPA564-Q1

大家好!

在我的旋转变压器应用中、我需要一个到36V 的快捷保护、持续至少60秒、在应用手册(SBOA447)中、建议使用以下设计:

一个20 Ω R7电阻器、放置在反馈环路内、并使用10U 电容器 C7进行旁路。  在大多数汽车旋转变压器激励应用中使用的10kHz 典型频率下、的阻抗
10uF 旁路电容器约为1.6Ω μ F

这是一个 天才的想法,但我仍然有2个问题:

1. TVS 26V 无法保持60秒、  

2. 并且 R7的功耗将非常高--> 5W~7W

那么、如果我将 R7增加到20k Ω、会怎样呢? 删除 R7、只需离开 C7?

根据我的仿真、  

相位差为124.17 (或-235、85??)、因此我相信20k R7没问题、我的设计中有什么错误吗?

Br

Jin

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    尊敬的 Jin:

    2.  并且 R7上的功耗将非常高--> 5W~7W

    R7值应折衷。 如果旋转变压器驱动器短接至26Vdc 或 Vbat、则可以使用以下配置。  

    如果需要对系统进行进一步保护、则可以尝试以下配置。 是的、20Ω Ω 电阻器将散发大量热量。 10Ω 或类似的可能效果更好。 该电阻仅在直流短路时有效。 在典型操作中、10uF 阻抗与 20Ω Ω 并联、10kHz 时为(1/SC)|20Ω Ω 或0.61Ω Ω。

    e2e.ti.com/.../ALM2403_2D00_Q1-26Vbat-fault-conditions-05152023.TSC

    相位差是124.17 (或-235,85 ?),所以我相信20k R7没问题,我的设计中有什么错误吗?

    您能否确认旋转变压器负载或您在模型中使用的负载? 通常、有绕组电阻20Ω Ω(有点低、但可以)、1.7mH (10kHz 时为20 + J107)的电感和并联绕组电容。 如果要降低驱动器中的视在功率(实际功率和无功功率)、可能需要功率因数校正、导致驱动接近电阻负载。 请告诉我负载参数、然后我就可以运行系统的交流分析了。   

    此致!

    雷蒙德

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    您好 Raymond

    首先非常感谢您的参与!

    我们需要高达36V 的 OVP、所以26V 解决方案对我们没有什么帮助。

    我刚刚使用 LCR 表(Keysight U1733C)测量了旋转变压器、这里是初级绕组的信息:

    R_DC = 20.13欧姆、

    L@10lhz = 1.877mH

    Z@10kHz = 120.63欧姆  

    电容器看起来有点奇怪:

    C@10kHz =-137nF

    上述电路方案的附加信息:

    在我的应用中、R2、R10和 C6 (蓝色电路)属于负载补偿、 只有 R5和 L2仿真旋转变压器负载。

    这意味着仿真中的参数与旋转变压器特性相匹配。

    你怎么看?

    Br

    Jin

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    尊敬的 Jin:  

    我们需要高达36V 的 OVP,因此26V 解决方案无法帮助我们。

    根据36V 电池短路仿真、故障保护方案应该可以工作、但如果在1分钟短路测试期间无法散发热量、您可以将电阻器和 TVS 串联放置。  

    C@10kHz =-137nF

    此仿真忽略了绕组电容。 它应该相当低、大约为几 nF 或更低。  

    我模拟了没有缓冲电路的驱动电路、相位裕度大约为60度、应该是稳定的。 当环路增益交叉为0dB 时、您需要最小45度的相补角才能保持稳定。 90度相位裕度是实现环路稳定性的最佳情形。 您可以逐渐在缓冲器上引入 R 和 C、然后您将看到效果。 超过90的相位裕度将无法稳定。 由于这是反相输入运算放大器配置、相位裕度应与输入信号保持约180度、如波特图的相位图所示。  

    我一般不在稳定性仿真中放置缓冲电路。 缓冲器 Rx 和 CX 参数通常根据经验确定。 我通常不使用它们、除非您要通过短接 CX 电容器并将 Rx 与负载并联来在控制电路中以特定频率抑制某个信号。 它还将耗尽驱动电路的过多功率。  

    e2e.ti.com/.../ALM2403_2D00_Q1_5F00_MFB-AC-Analysis-E2E_2D00_1-05162023.TSC

    这里是 TI 对稳定性参考方法的参考、它是您其他回复中使用的 Marek 技术的替代方法。 因此、当我们使用不同的交流注入技术时、不要感到困惑。  

    在不了解您的驾驶要求的情况下、我会推荐以下内容。  

    我们的旋转变压器驱动器是 ALM2402F-Q1和 ALM2403-Q1、选择其中一种驱动器有优缺点。  我不知道应用的电压摆幅要求、因此无法评论。 对于 Vs 低于16Vdc 的情况、我们会推荐 ALM2402F-Q1。 对于高达24V 直流的更高 Vs 电压、我们推荐 ALM2403-Q1。  

    环路稳定性是我们在设计中最后要解决的问题。 对于给定的要求、我们将执行以下操作:

    1.选择其中一个旋转变压器驱动器(但我们还有其他功率放大器也适用于该应用)。  

    2.模拟旋转变压器的输出摆幅与输入信号(PWM 正弦、正弦输入等)、确定增益、激励频率、带宽 根据设计要求调节输出电压摆幅、电流摆幅等。

    3.我建议检查器件在工作温度范围内的散热情况、特别是最坏的情况、例如85°C 或更高的温度、需要在热处理室进行热测试。  

    4.驱动旋转变压器或变压器时、设计中需要考虑功率因素、即尽可能降低旋转变压器驱动器的功率耗散。 如果驱动器必须处理高水平的视在功率、则功率放大器可能需要驱动更高的电流、增加不必要的热耗散。  

    5.最后、我将检查环路稳定性、并尝试确保系统在运行条件下保持稳定。 否则、请尝试补偿驱动器以消除不稳定性情况。

    此外、我们还有适用于两个旋转变压器驱动器的 EVM、您可以并行执行上述步骤或 以系统设计方法进行某种迭代、同时检查应用。  

    https://www.ti.com/lit/ug/sbou227/sbou227.pdf?ts=1684257119244&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.ti.com%252Ftool%252FALM2402FQ1EVM

    https://www.ti.com/lit/ug/sbou236a/sbou236a.pdf?ts=1684238048947&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.ti.com%252Ftool%252FALM2403Q1EVM%253FkeyMatch%253D%2526tisearch%253Dsearch-everything%2526usecase%253Dhardware

    如果您需要进一步的帮助、请告知我们。  

    此致!

    雷蒙德

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    您好 Raymond

    非常感谢您的回答。

    我还有2个问题。

    1.关于 相位裕度

    超过90的相位裕度将无法稳定

    这就意味着 我的第一篇文章中124.17的相位裕度是不稳定的?  但在另一篇文章"ALM2403-Q1:更大限度地降低功耗、这是否是必需的?  "我没有 看到这个规则、对于 相位裕度为138度 的系统、仍然非常稳定、您能否确认一下?

    2.关于 OVP 的设计

    如果我只使用20k 而不是20Ohm、我就不会有20Ohm  的功率损耗问题。

    那么、您认为、我真的可以使用这种设计吗?

    Br

    Jin

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    尊敬的 Jin:  

    这意味着 阶跃124.17在我的第一篇文章是不稳定的?

    相位图应以大约180度开始、最终为~124度、该角度应该不稳定。 请注意,在反馈环路中这是20Ω||1uF。  

    20kΩ||1uF 时,相位以10Hz 的频率从-165度开始,以-235度结束,其相位裕度相同,如上所示,为124,应该不稳定。  

    功耗最小化,是否有必要?

    是的、这可能是必要的。 ALM240x-Q1系列在室温下的输出电流有限。 对于汽车应用、标称测试温度为85C 或更高。 并且随着芯片温度升高、电流将显著下降。 因此在更高电流的旋转变压器应用中、ALM240x-Q1驱动器可能需要降低驱动电流。 此外、较低的热耗散将延长驱动器的寿命、并且应用需要较少的冷却。

    在 OPA564-Q1等其他功率放大器系列中、它的额定电流高达1.5A、可处理电流较高的旋转变压器应用。 在任何情况下、更低的散热都是设计中更好的选择、尤其是对于汽车应用。  

     相位裕度为138度的系统 仍然非常稳定,您能确认这一点吗?

    您能向我展示一下138度的相位裕度示例吗? 该图必须与起始点的相位水平相关。

    如果我只使用20k 而不是20Ohm,那么我没有 20欧姆的功耗问题。

    您的意思是20kΩ||1uF 配置吗? 在10kHz 时、阻抗约为15.9Ω Ω|20kΩ Ω 或~15.9Ω Ω。 您解决了 Vout 对电池短路的问题、但 在反馈回路中15.9Ω μ V|| 20kΩ μ F 的15.9Ω* 150mApk = 2.39Vpk 压降、并且陶瓷电容器上的热耗散将为0.15^2*15.9 = 0.36W、这会给组件造成很大的热应力。 应在设计中进行折衷。  

    如果您有其他问题、请告诉我。  

    此致!

    雷蒙德

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    您好 Raymond

    再次感谢您的答复。

    1.您的问题:

    您能不能演示138度相位裕度的示例? [/报价]

     在我的另一篇文章中、这是您 TI 大学的一个结果:

    这样就显示了138度的实际相补角-见下文。  有效负载在10kHz 下几乎是纯阻性负载。

    进行瞬态分析显示、系统非常稳定、小信号过冲仅为10%-请参阅下文。

    2. 我的配置20k // 10µF

    抱歉,我在最后一个模拟文件中写入了错误的值(20k // 1uF),  

    与缓冲器电路进行模拟、具体如下所示:

    正如您之前建议的、在没有缓冲电路的情况下实现模拟、如下所示:

    因此、如果我在不使用 Snaber 电路的情况下进行仿真、结果显示稳定。 这是否意味着、缓冲电路会使系统不稳定?

    3.在配置下分立20k // 10µF

    在10kHz 时、阻抗大约为1.6Ω Ω。

    1.6Ω 回路中1.6Ω μ V*150mApk = 0.24Vpk 20kΩ||2 μ F 的压降,陶瓷电容的热耗散将为0.15^2*1.6 = 0.036W。

    因此、我认为使用该配置(20k // 10µF)我解决了 Vout 对电池短路以及散热问题、因此系统看起来也很稳定(没有缓冲器)。

    你怎么看?

    Br

    Jin

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    尊敬的 Jin:  

    我将在明天的剩余质询中恢复。  

    BTW、我无法生成此波特图。 看起来波特图可能来自不同的仿真电路。  

    3. 在配置下显示20k // 10µF

    10kHz 时的1.6Ω Ω 阻抗似乎是可以的。 您是否有机会试用旋转变压器驱动器? 我认为它应该起作用。  

    此致!

    雷蒙德

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    您好 Raymond

    BTW、我无法生成此波特图。 看起来波特图可能来自不同的模拟电路。

    我只需在此处添加我的 Tina 文件、或许您可以重试。

    e2e.ti.com/.../ALM2403_2D00_Q1_5F00_MFB_5F00_C2_5F00_with_5F00_snubber.TSC

    您是否有机会尝试使用解析器驱动程序?

    是的、我20kΩ 了10uF//μ C 旋转变压器驱动器、它可以工作、只有一个问题、我们可以看到有一点失真、 请参阅下面的我的 Oszi foto:

    Br

    Jin

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    尊敬的 Jin:  

    它工作,只有一个问题,我们可以看到一点失真, [/报价]

    我看到了失真。 我认为您可能需要将电源轨从12V 增加到略高的电压轨、如15VDC。 如下图所示、您的直流偏置电压是多少? 如果使用的是12Vdc、则应在中间电源轨或6Vdc 中进行配置。  

    与 ALM2402F-Q1相比、当驱动电流增加时、ALM2403-Q1在 MOSFET 输出级上具有更大的压降。 我认为失真可能与电源轨有关。 它可能与 10uF// 20kΩ μ F 无关 

    我将在今天晚些时候解答您的其他问题。  

    此致!

    雷蒙德

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    您好 Raymond

    如下图所示、您的直流偏置电压是多少? 如果使用的是12Vdc、则应在中间电源轨或6Vdc 中进行配置。  

    [/报价]

    实际上、我使用6V 偏置和12V 电源。

    它与 10uF// 20kΩ 无关 [/报价]

    我只是降低了输入信号的振幅、 失真仍然存在、为什么?

    Br

    Jin

    [/quote]
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    尊敬的 Jin:

    您能不能在使用缓冲器和 10uF// 20kΩ Ω 之间进行调查? 您的输出负载是否与仿真相同?

    降低输入振幅后、失真似乎会变得更糟。 此外、您能否尝试低 ESR 10uF、看看是否有任何与之相关的东西?  

    我 20kΩ 了波形、似乎失真是由10uF//μ s 引起的。 在瞬态分析下、如果电路在工作点进行仿真、则不会出现失真。 不过、如果我将分析放入其中 零初始值或使用初始条件 可以观察到失真。  

    我的理论是、RC 时间常数在 10uF 和20kΩ μ s 之间、相对于10kHz 的反馈环路、RC 太慢。 如果达到10uF 的稳态(电流秒平衡)、则这可能不是问题。 如果电容器的充放电不相等、则会在反馈环路内导致失真。  

    仿真显示、R 可能必须降至约1kΩ Ω 的范围、其中失真并不明显。 不过、如果您等待的持续时间较长、例如几分钟直到通过10uF 电容器的电流均衡化、失真可能会更小(尝试在更长的时间内使用20kΩ Ω 设置、我的猜测)。 如果您移除 RCR 缓冲器电路并替换为与旋转变压器负载并联的电容器、则可能也有帮助、这会使电感负载的阻性更强。  这称为功率因数校正、其中旋转变压器的电压和电流将相互同步。

    对于您的设置、CX 可能为137nf 范围或最接近它的值。 这与没有 Rs 的 RCR 配置有点类似。

    此致!

    雷蒙德

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    尊敬的 Jin:

    BTW、我无法生成此波特图。 看起来波特图可能来自不同的模拟电路。

    我想知道到底发生了什么事。 您使用的是日期为2020年的 PSpice 模型、而我使用的是于10月12日21日发布的最新 PSpice 模型。  两个 pspice 模型之间存在一些差异、这就是我无法获取您提供的内容的原因。 在执行任何仿真时、请将来下载最新的 PSpice 模型。  

    (在您上传的模型中、如果在10-100MHz 与1-100MHz 之间进行仿真、将得到两个不同的相位结果。 这就是我感到困惑的原因。)  

    该仿真工具无法区分正相位和负相位、所以用户自己判断。 通常、由于 AOL 中存在主导极点、因此运算放大器电路可以使用90度的相位裕度。 在反相运算放大器的输入端、电路只剩180度、其中电路的输出相位已反相180度。   

    在上述情况下、Aol 主极点出现 fp1=~100Hz、相位变化由 fz1补偿、fz2的相位提升由 fp2降低(此时几乎没有相位变化)、最后 fp3成为主极点以-20dB/十倍频程的速率滚降增益 (导致-90相移)、然后 FP4将其进一步下拉至60度的相位裕度、这就是您的相位裕度结果。  

    (注意:相位变化发生在极点频率的大约1个十倍频(~5.7度)的 频率、并在极点频率的大约1个十倍频(~84.3度)处结束。   

     

    让我们使用最新的 pspice 模型作为比较的参考(比较苹果和苹果)。 我确实更改了20Ω||10uf,但它不应影响交流分析,相位图从低频的+180度开始。 从波特图可以看出、相  位裕度为75.4度(20Ω||10uf 与20kΩ|10uf 相比影响不大、除非相位是以低频率或10Hz 频率根据相位图开始的。 我不是完全了解仿真工具如何计算运算放大器电路中的起始相移、但我知道该工具无法区分正相移或负相移)。  

    通过改变 20kΩ||10uf、相位图以低频-180度开始(低频时相位偏移-180度)。 从相位裕度、您可以称102.5度(-180 -(-282.46)= 102.46度)或360 +(-282.46)= 77.54度。 我通常将后者称为相位裕度、以便与上图保持一致。  

    之前仿真的124度相当于56度。 下面是仿真文件的副本。  

    e2e.ti.com/.../ALM2403_2D00_Q1_5F00_MFB_5F00_C2_5F00_with_5F00_snubber-New-05232023.TSC

    如果您有其他问题、敬请告知。  

    此致!

    雷蒙德

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    尊敬的 Raymond:

    很抱歉我的回复太晚了,我不会 很早就测试了,  

    1.问题失真

    此外,您可以尝试较低的 ESR 10uF 吗?  [/报价]

    我刚换了另一个低 ESR 电容器(典型值:C3216X5R1H106K160AB)、电容仍然存在、请查看下面的我的结果:

    1a. 在低振幅设置下:

    1b。 高振幅设置时:

    然而,如果您等待的持续时间较长,请说几分钟,直到通过10uF 电容器的电流均衡化,则失真可能会变小(尝试使用20kΩ 设置较长的时间,我的猜测)

    不幸的是,我没有看到这种效果。

    模拟显示 R 可能必须下降到大约1kΩ k Ω 范围,在该范围内失真不明显

    我将在下周尝试、然后再向您报告结果。

    2.发出 OVP

    我尝试了此配置(20k // 10µ+ TVS 26V 至 VCC) 、ALM2403的输出为32V、结果如下:

    • 如果我一开始连接了所有器件、那么 IC 可以承受。
    • 如果我将32V 连接到"热插拔"条件下的输出,那么 IC 立即衰减。

    我检查 IC 后发现、引脚3 (OTF/SH_DN)始终为低电平。

    我想输出端突然施加32V 电压经过10nF、26V TVS 无法将其钳位到26V、这导致了 ALM2403损坏。

    你怎么看?

    Br

    Jin

    [/quote]
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    尊敬的 Jin:

    1. 发出失真

    我没有预见到 20k // 10µf 问题,直到我看到你扭曲的范围射. 内部环路的响应速度必须更快或等于外部控制环路的频率。 如果时间常数较高、R 和 C 将产生相移。 由于应用手册中建议使用20Ω// 10µf Ω、因此不会明显或不存在失真。 如果您尝试1kΩ// 10µf、则失真可能仍然存在、您可以考虑使用 FFT 或频谱分析仪进行检查。  

    2.issue OVP

    所有故障保护方法都有其优缺点。 以下是推荐用于电力线通信输出的方法。  

    如果您担心 Vbattery 短路、简单的方法是将旋转变压器与陶瓷电容器耦合、这种方法应该会阻止所有直流短路事件。 请告诉我您的设计要求、或许我们可以找到更好、更便宜的方法来通过这些测试。  

    由于应用正在驱动变压器、因此使用电容器阻止直流电池短路非常有效、并且不会影响旋转变压器在10kHz 或类似频率下的工作性能。 您也可以考虑这个选项。  

    为了保护 ALM 旋转变压器 PA 驱动器、必须考虑瞬态或故障事件下的过压和/或过流。 如果您具有可应对这两种情况的保护电路、并且仍能够满足操作要求、那么保护方案就会很好。  

    请告诉我您的测试结果。  

    此致!

    雷蒙德

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    您好 Raymond

    非常感谢您的回复。

    1.问题失真

    [报价 userid="423757" url="~/support/amplifiers-group/amplifiers/f/amplifiers-forum/1226577/alm2403-q1-overvoltage-protection-for-alm2403q1-output-shortcut-to-36v/4650698 #4650698"]如果您尝试1kΩ// 10µf,失真可能仍然存在,您可以考虑使用 FFT 或频谱分析仪进行检查。  [/报价]

    在1k // 10µF 的低振幅设置中,我没有看到任何失真,见下面:

    1k//μ s、高振幅10µF、然后我再次看到了失真:

    和 FFT 分析  

    简单的方法是将旋转变压器与陶瓷电容器耦合,它应该会阻止所有直流短路事件。

    我尝试在环路中使用10µF Ω、没有任何电阻器(而不是1k// 10µF Ω)、然后我没有得到任何信号。 为什么?  

    2.发出 OVP

    我们的要求:EXC 输出应受到保护 、防止36V DC 短路60s。

    我现在使用的是 TVS 20V 而不是 TVS 24V、那么它现在可以工作。

    10µF、解决方案如下所示:1k//μ s + TVS20V、需要考虑小失真对分解器信号意味着什么。

    Br

    Jin

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    尊敬的 Jin:  

    我尝试在环路中使用10µF Ω,没有任何电阻器(而不是1k//k 10µF Ω),然后我没有得到任何信号。 为什么?  [/报价]

    您需要直流偏置以获得反馈。 如果没有1k 电阻器或类似器件、反馈环路中就不再有直流偏置电压、运算放大器将无法正常工作。  

    1k// 10µF,高振幅设置,然后我又看到了失真:

    在高振幅下、请检查它是否由电源轨导致。 如果 Vout 的幅度降低到8-9Vpk 并且仍然看到失真、则这不是由于输出振幅电压接近电源轨所致。 当输出电流较高时、ALM2403-Q1的 MOSFET 驱动器两端会产生较大的 IR 压降。  

    关于 FFT 分析、我没有来自正弦基准输入的图。 如果您比较这两个图、您将看到是否从参考信号生成了额外的谐波、请使用或谐波峰值比进行比较。 根据12.5Vpp 正弦信号、它看起来是对称的。  

    因此解决方案看起来像:1K// 10µF + TVS20V,而小失真需要考虑,这对旋转变压器信号意味着什么。

    这意味着您可能拥有一个稳定的系统来驱动旋转变压器。

    也许我误解了您的问题。 您的意思是、如果旋转变压器的激励驱动频率中存在小失真、会怎么样? -->您应尽可能消除任何失真。 因为在计算角度旋转时、这会导致相位误差。 通常、固件会在正弦/余弦波形峰值处计算相位角、因此您需要注意失真问题。 如果1k 仍然不够好、您可能会下降一点。 我不确定能否对其进行校准(如果激励的波形失真、我不确定正弦/余弦接收器将具有相同的振幅)。   

    您似乎希望 ALM2403-Q1直接与您的旋转变压器耦合。 现在需要检查电路是否能够在最坏的温度条件下驱动旋转变压器。 此外、变压器的输入端之间不应存在较大的直流差值。 差分直流电压应小于100mV 或越低越好、并且不会随温度而变化。 直流差分电压可能导致旋转变压器出现磁饱和、因此需要查看其数据表并了解相关规格(需不惜一切代价防止旋转变压器出现磁饱和)。  

    此外、您需要验证交流回路在温度变化时也是稳定的。 如果它在-40C 或85C 或相似温度下保持稳定、那么环路稳定性可信度应该较高、或者没有问题。  

    在进行高温评估时、您需要监测 ALM2403-Q1与 PCB 连接的温度。 我可以仿真室温下的功率损耗、并在旋转变压器的 L、C 和 R 参数完成后估算最坏温度工作点的结温。  

    如果您有其他问题、敬请告知。  

    此致!

    雷蒙德

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    尊敬的 Jin:  

    我希望你的问题得到解决。  

    我将结束本次调查。 如果您有其他问题、仍可以在其他主题中打开该主题或发布查询。  

    此致!

    雷蒙德