直流开关电源电路设计人员如何处理瞬态电压?

在设计直流开关电源时,直流开关电源电路设计人员面临的挑战之一是如何处理瞬态电压。保护电路不受高于集成电路(IC)额定输入电压(VIN)的电压峰值破坏非常重要。

在处理瞬态电压时,直流开关电源电路设计人员可以选择在系统前端使用输入电压范围较宽的DC/DC转换器保护所有瞬态电压,或者使用输入电压较低的DC/DC转换器再加上钳位电路来提供瞬态电压保护。

乍一看,选择第一种解决方案,额定输入电压为36V或60V、VIN范围较宽的DC/DC转换器会更贵,因为1ku的价格比额定输入电压更低的转换器要高。

但是,低输入电压转换器瞬态电压保护所需的电压钳位电路会增加10至12个外部元件,会增加材料清单(BOM)数和成本以及解决方案的尺寸。

本文将对比SIMPLE SWITCHER® LM43603 36 VIN、3A降压转换器解决方案与17 VIN、3A转换器加吸收浪涌电压的钳位电路解决方案的尺寸和成本。

直流开关电源电路设计人员如何处理瞬态电压?



如图1所示,该输入钳位控制电路和PFET为解决方案增加了13个外部元件。

如图2所示,根据1000数量的网上公布价格,这13个外部元件增加的成本为1.19美元。采用1000数量的价格0.96美元和电感、电容与电阻等外部元件的成本,17VIN 3A转换器解决方案的成本约为1.62美元。


这样一来,使用17VIN降压转换器加上钳位电路的总成本约为1.62+1.19=2.81美元。另外,控制电路与PFET将低VIN解决方案的尺寸增加了约210 mm2。17VIN, 3A转换器约为100 mm2,整个解决方案的尺寸为100+250=350 mm2。


直流开关电源电路设计人员如何处理瞬态电压?

图2:控制电路成本明细


另一个选择是使用像SIMPLE SWITCHER® LM43603 36 VIN、3A 同步降压转换器这样输入电压范围较大的DC/DC转换器覆盖最大VIN峰值。

采用LM43603等宽VIN器件的情况下,直流开关电源电路设计人员无需使用钳位电路,可以节省时间、成本和主板空间。


根据公布的1000单位的价格1.85美元和电感、电阻与电容等外部元件的成本,LM43603解决方案的总成本约为2.51美元。这意味着使用宽VIN LM43063可以节省0.3美元,或约12%:2.51美元VS 2.81美元。

解决方案的尺寸是另一项优势。Lm43603解决方案的总体尺寸约为250解决方案的总体尺寸约为250 mm2,比前一种解决方案小24%或60mm2。

LM43603等宽VIN解决方案的另一优势是可靠性高。正如我在此前的文章中提到的, 增加外部元件会增大系统的风险。

最可靠的解决方案是采用外部元件最少的最简单的解决方案,因为这样降低了元件发生故障的风险。尤其是在一些汽车和工业应用中,增加可靠性非常重要。

另外,设计其它钳位控制电路会为设计周期增加很大的工作量。使用控制电路和PFET意味着必须再选择12个外部元件,进行更多的测试和模拟,保证元件正常工作。

可以通过宽VIN范围的稳压器实现更低的系统成本和更高的可靠性,为什么还要如此大费周章呢?

当然,由于厂商和供应商的数量和合同以及设计布局的不同,价格和解决方案尺寸可能有较大差异。


采用宽VIN解决方案节省的尺寸和成本百分比也会随之变化。但是,我希望本文的分析展示了,尽管1000单位的预付价格更高,LM43603等宽VIN解决方案在处理输入电压瞬态过压问题时,能够节省解决方案成本、主板空间和设计时间。

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