Top Switch High Voltage StartUp
　2021年07月16日

高壓啟動:


高壓啟動是Flyback架構集成化IC所必備的功能
幾乎所有PI的IC供電，開機的第一次啟動，均是透過高壓啟動先提供IC電源， 作為開始切換所需的能量 ，在開始切換工作後，再透過一次測的輔助繞組，提供一個輔助電源給IC供電，而這給IC做供電的接腳通常叫BP(ByPass pin)， 該腳位的功能較單純，所以其供電行為是由高壓啟動供電，還是轉由輔助繞組銜接供電，其實很容易從BP腳位上的電壓準位不同的資訊做判斷。

而今天要討論的這一個IC，剛好跟前面提到的其他 IC有些不同， 他同樣具有高壓啟動，但你看不到常見的BP腳， 當然也意味著他的電源供電行為不太一樣。

我們利用這一篇來對Top Switch的高壓啟動做進一步的了解，在Top Switch中，它用來提供整顆IC工作的電源接腳，叫做Control Pin(C pin)。 正如同他的名字一樣，他除了像BP一樣的供電用途，他還有兼具其他Control的功能。 除了供電功能還有所謂的Control功能，包含像回授控制以及IC的內部用途計時功能。

因此它的接腳接線方式，跟其他PI含BP腳的Flyback集成IC都不一樣。
由於兼具了供電跟控制，控制在這邊主要講的包含回授。Top Switch同時透過C pin，來作為閉迴路控制的回授腳， 同時也兼具回收補償的功能， 在這個腳上可以看到接近47uF等級的一個大電容器， 和其他BP供電的擺放電容大小等級完全不同， 同時這接腳還會連接到光耦合器晶體輸出， 透過注入電流偵測，來做回授控制主開關操作行為。

和前面我們提到透過一次側輔助繞組來銜接供電這個問題， 在Top Switch也就同時由這Control Pin來完成。 因此COLTROL Pin 就同時具有回授以及給IC供電的功能。而BP pin 在回授上則是沒有回授控制的用途。

所以在前面所提到， BP供電的IC，因為腳位較單純，它可以透過電壓平台準位變化，來判斷高壓啟動完成接著由輔助繞組銜接供電的時機點是很容易的。Control Pin 因為有回授功能，計時功能及供電功能。所以回授電流的大小，以及作為計時功能的充放電行為，都會影響了C pin的電壓變化，他並不像BP 類似階梯狀的變化型態。

我們先來看一下規格書中的IC內部方塊圖。
圖中所見第一部由高壓輸入透過Drain Pin對CONTROL Pin充電，當充電到達內部比較器準位後，會啟動Soft-start及做內部供電路徑開關切換的控制，那切換的點到底是哪個時機呢?是否能透過量測來做判斷?這也是接下來本篇實驗要找的答案了。

今天我們在這裡，希望透過幾張簡單的波形來判斷Top Switch在高壓啟動，進而了解Top Switch高壓啟動工作行為。 進而了解高壓啟動是在何時切入工作跟關閉供電的。

由於Top switch的Control Pin他同時兼具有回收授的功能，因此它的供電電流除了高壓啟動電流，另外就是回授路徑上的電流。

接下來這張圖是正常開機的波形，由這張圖我們可以看到，從開機到進回授之後，你會發現，除了開機的第一段充電行為，高壓啟動將Control Pin充電到5.8V以外，之後Control腳的電壓準位，除了量測上耦合到Switch時的高頻雜訊，其實電壓平台，並沒有什麼變化，並沒有不同電壓平台，因為輔助繞組透過光耦合器的供電已經銜接上了，這跟BP為供電腳類的IC波形不同。
那我們該怎麼判斷高壓啟動在何時關閉了呢？


在這我們就先來做件簡單的事情:


先把電流路徑簡化，我們先把回授路徑斷開，在 開迴路沒回授的狀態少了一路回授電流這個參數，Control Pin上的電壓變化會判讀就能更單純了， 只剩高壓啟動供電。
由於是沒有回授開迴路的狀況，Top Switch在輸入送電後，Power Supply其實是不會完成開機的，而是進入Auto Restart的開機重啟測試循環，Control Pin 充放電的計時功能，也就用在這時候。

我們接著觀察此時的 Control Pin電壓以及MOSFET切換的狀態來大概判斷高壓啟動的行為。
開機後第一段充電完成後，接著就是所謂的Soft-start切換，可以看到開機先將Control腳充電到5.8V後，一次側的Flyback主開關MOSFET開始做切換。此時Top Switch的切換行為會從輕載到滿載會有不同的狀態呈現，這就是所謂的Softstart。主要用來減少對零件Stress的傷害，此次就先不對Softstart做進一步說明了。

規格書裡的第四頁有流進Control Pin腳回授電流，對應到的頻率、操作脈寬及線流點變化的關係圖。TOP Switch開機有17ms的Soft-start，在其17ms內也就依循著這規則，由輕載行為到滿載行為做變化。



下面這張圖，就是我們所說的開迴路下的量測波形， 先拿這張圖和規格書第四頁的這張圖在操作行為上大概對比一下。為了量測方便，我就單獨以MOSFET開關切換時的VDS電壓波形做頻率的判斷，先沒有量測電流變化，已足夠做為基本判斷用。

Top Switch 內部定義的softstart區間大概為17ms， 也就是在這時間內，讓MOFSET操作行為由輕載到滿載做變化，目的就是讓能量由最小慢慢變到最大。
我們這次要做的是對高要啟動動作的判斷。 由C pin的電壓變化，你可以很明確的看到，在到達5.8V之後，MOSFET開始做Switch，而C pin電壓則開始做些微的下降，在這由於沒有輔助繞組回授電流的介入，不像有回授的狀態會一直維持在5.8V，在這裡應該猜到為什麼了吧！因為沒電流對C pin供電了，連高壓啟動也沒有了，Control Pin沒有外部電流供電來維持住電壓，所以C pin開始掉壓了， 雖然沒有像BP上平台式的電壓變化，但是在這我們還是找出了他動作的行為了。


這邊補充一下為什麼C pin上的電壓，在掉電時會有不同的準位變化呢?而不是固定的斜率做放電?
如同前面講的，開機後由高壓啟動對Control Pin充電至5.8V後，IC開始工作做Switching， 而這時候IC所使用的能量由Control Pin供給，但因為沒有供電電流，只能靠Control Pin上的大電容來維持供電，而 Softstart控制器的切換行為，從輕載到滿載的操作頻率會越來越高，內部控制器在做驅動MOSFET時，頻率越高所需的能量也需要越大，因此所需能量也不會是固定的，當然C pin電壓的變化是不會以固定斜率做放電的。
而在17ms softstart結束後，IC則進入放電的計時行為，所以電壓變化斜率又在出現了一次變化，直到放電至4.8V， 再重新一次回到高壓啟動來對Control Pin充電的動作， 這樣的4.8到5.8V或是5.8到4.8V的電壓電充電放電就是給內部的做計時用途的。

那麼我們再回想到有回授的狀況， 回授電流在什麼時候建立會最恰當呢？
基本上回授電流最好是在這17ms內就能參與， 因為當他開始進入自然放電，就表示供電不足也或是無法穩定輸出電壓的狀況，放電主要目的就是準備透過記時來進入保護的狀態了。
在Soft-start這17ms內進入回授控制，也能避免輸出電壓Over-Shoot的發生，因為Soft-start能量最後都達到最大，如果是在輕載條件，回授電流太晚建立，輸出電壓Over-Shoot就更容易發生了。而回授建立點的調整，當然就會跟整個回授系統的各個參數值相關了。
最低所需的回授電流，根據選用零件型號不同，也會有所差異。規格書標示進Auto-Restart前最小的回授電流如下。