王攀

摘要：眾所周知，電子裝置的運(yùn)行離不開(kāi)開(kāi)關(guān)電源的支持，雖然在長(zhǎng)期使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)損壞，但絕大多數(shù)情況下與保護(hù)電路有關(guān)。對(duì)此，筆者闡述了開(kāi)關(guān)電源保護(hù)電路的重要性，分析當(dāng)下不同過(guò)電流保護(hù)電路的特點(diǎn)，并提出一種新型保護(hù)電路方式，希望對(duì)提升開(kāi)關(guān)電源過(guò)電流保護(hù)電路性能有所啟示。

關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)電源;過(guò)電流;保護(hù)電路

一、前言

對(duì)于電子裝置而言，開(kāi)關(guān)電源是關(guān)鍵所在，既可以為其提供源源不斷的能量，也可在一定程度上減少外界的不良影響，而這需要保護(hù)電路的支持，其中過(guò)電流保護(hù)電路尤為重要，但需要結(jié)合開(kāi)關(guān)電源的實(shí)際情況選擇與之匹配的保護(hù)策略，唯有如此，開(kāi)關(guān)電源的安全性和可靠性才能得到良好的保障。

二、開(kāi)關(guān)電源過(guò)電流保護(hù)電路的重要性

所謂的開(kāi)關(guān)電源是在現(xiàn)代電子電力技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)及其時(shí)間比用于保持輸出電壓穩(wěn)定，以此滿(mǎn)足不同用戶(hù)端對(duì)電壓或電流的實(shí)際需求[1]。近年來(lái)正朝著高效率、小型輕量化的方向發(fā)展，為電子信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)。

但電流的增大往往伴隨著熱量的增加，開(kāi)關(guān)電源也是如此，盡管在正常情況下開(kāi)關(guān)電源損壞的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小，但若遇到負(fù)載突增、雷雨天氣以及環(huán)境變化等極端情況時(shí)則極易損壞，這是因?yàn)樯鲜鰡?wèn)題的出現(xiàn)通常會(huì)導(dǎo)致電子設(shè)備電流過(guò)大，進(jìn)而產(chǎn)生大量的熱量，而開(kāi)關(guān)電源作為關(guān)鍵模塊也不可避免地會(huì)受此影響，顯然不利于開(kāi)關(guān)電源性能的穩(wěn)定和功能的發(fā)揮[2]。因此要想處于突發(fā)故障或惡劣環(huán)境下的開(kāi)關(guān)電源仍然能夠安全可靠的運(yùn)行，就必須做好過(guò)電流保護(hù)電路設(shè)計(jì)，如此一來(lái)，當(dāng)電流過(guò)大時(shí)便可以及時(shí)將其變化情況傳至芯片的內(nèi)部控制環(huán)路，通過(guò)調(diào)整控制電流最大限度的減少對(duì)開(kāi)關(guān)電源的影響，這也是將安全性作為衡量開(kāi)關(guān)電源質(zhì)量重要指標(biāo)的原因所在。

三、開(kāi)關(guān)電源過(guò)電流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)策略

（一）以繼電器和達(dá)林頓管為基礎(chǔ)

在開(kāi)關(guān)電源過(guò)電流保護(hù)電路設(shè)計(jì)中選擇以繼電器和達(dá)林頓管為基礎(chǔ)的初衷在于規(guī)避2A漏極電流對(duì)核心芯片和電子器件的不良影響，具體需要通過(guò)脈寬調(diào)制芯片自動(dòng)停止輸出脈寬來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以選用的是阻值為0.7 Ω、精度在1/100以上的電阻R1，這樣的話(huà)當(dāng)開(kāi)關(guān)管電流高于2 A時(shí)便可以依次導(dǎo)通達(dá)林頓管和繼電器（12 V），促使開(kāi)關(guān)由常閉狀態(tài)變?yōu)殚_(kāi)啟狀態(tài)，最終使得芯片失電停止工作，發(fā)揮保護(hù)電路和開(kāi)關(guān)管的效用，而且在大電流消失后芯片會(huì)自動(dòng)恢復(fù)供電，使得開(kāi)關(guān)電源再次工作[3]。雖然經(jīng)仿真測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在漏級(jí)電流為2.07 A時(shí)便可以啟動(dòng)保護(hù)，不僅可靠還穩(wěn)定，但文中提及的開(kāi)斷器件-繼電器具有電流沖擊較大以及開(kāi)斷速度較慢的缺點(diǎn)，還需研究創(chuàng)新予以完善。

（二）以繼電器和光電隔離器為基礎(chǔ)

該設(shè)計(jì)策略的目的在于當(dāng)開(kāi)關(guān)管漏級(jí)電流值為2 A時(shí)可通過(guò)自動(dòng)停止芯片輸出脈寬以保護(hù)電路和器件安全，配以1/100以上精度、阻值為2 Ω的電阻（R1）和幅值3 V、型號(hào)1N4372A的穩(wěn)壓二極管，保證開(kāi)關(guān)管電流載大于2 A的情況下，光電隔離器發(fā)射極和接收端均導(dǎo)通，進(jìn)而在R2（阻值為100 Ω）形成高電壓最終導(dǎo)通繼電器（12 V），此時(shí)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)為開(kāi)啟狀態(tài)，意味著脈寬調(diào)制芯片無(wú)電源供應(yīng)而停止運(yùn)行，發(fā)揮了保護(hù)開(kāi)關(guān)管及其相應(yīng)電路的作用，后經(jīng)仿真測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在漏極電流為2.1 A時(shí)繼電器便會(huì)工作用于保護(hù)電路不受影響。與基于繼電器和光電隔離器的保護(hù)電路一樣，雖然穩(wěn)定可靠，但難以規(guī)避繼電器的固有缺陷，也需借助技術(shù)手段進(jìn)行改進(jìn)[4]。

（三）以TL431和光電隔離器為基礎(chǔ)

該類(lèi)過(guò)電流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在開(kāi)關(guān)管漏級(jí)電流為2 A時(shí)自動(dòng)停止芯片對(duì)脈寬的輸出，進(jìn)而保護(hù)核心芯片及器件，故選用的是阻值為2 Ω的高精度電阻R1，配以3 V穩(wěn)壓二極管作為D2，確保開(kāi)關(guān)管電路中存在2 A以上的電流時(shí)能夠促使型號(hào)為T(mén)LP521-1的光電隔離器發(fā)射極和接收端導(dǎo)通，通過(guò)阻值為100 Ω的電阻R2上高電壓的形成導(dǎo)通開(kāi)斷器件TL431，使得芯片失電保護(hù)電路[5]。重要的是當(dāng)電路中的大電流消失后可快速實(shí)現(xiàn)芯片供電，此時(shí)開(kāi)關(guān)電源恢復(fù)正常工作，而且仿真測(cè)試結(jié)果表明，電路中有2.06 A的漏級(jí)電流就可以導(dǎo)通TL431實(shí)現(xiàn)電路保護(hù)，雖然較之繼電器，TL431開(kāi)斷靈敏快速，但存在關(guān)斷殘壓的風(fēng)險(xiǎn)，還需在設(shè)計(jì)電路時(shí)將其消除以免埋下安全隱患。

（四）以L(fǎng)M393N和光電隔離器為基礎(chǔ)

與前文的設(shè)計(jì)目標(biāo)一致，但該開(kāi)關(guān)電源過(guò)電流保護(hù)電路選用的是高精度2 Ω電阻R1和1N4372A穩(wěn)壓二極管，以此保證在開(kāi)關(guān)管電流大于2 A時(shí)能夠?qū)ü怆姼綦x器的發(fā)射極和接收端，而LM393這一比較器同向端與反向端電壓一高一低，可以通過(guò)導(dǎo)通三極管使脈寬調(diào)制芯片失電停止工作，最終達(dá)到保護(hù)開(kāi)關(guān)管和電路的目的[6]。同時(shí)仿真測(cè)試表明，漏級(jí)電流只需達(dá)到2.06 A，比較器就會(huì)輸出高電平導(dǎo)通三極管啟動(dòng)電路保護(hù)。本次設(shè)計(jì)的判決器件LM393N和關(guān)斷器件三極管，不僅開(kāi)斷靈敏迅速而且不存在物理?yè)p耗，但關(guān)斷殘壓?jiǎn)栴}不可避免，需要在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)將其消除。

此外，達(dá)林頓管和可控硅也可用于過(guò)電流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)，即選用0.7 Ω、精度在1/100以上的電阻，當(dāng)開(kāi)關(guān)管電流在2 A之上時(shí)可導(dǎo)通達(dá)林頓管和可控硅，導(dǎo)致芯片失去供電而結(jié)束工作，待大電流消失后芯片可通過(guò)自動(dòng)恢復(fù)供電促使電源重新工作。仿真結(jié)果顯示，2.01 A的漏級(jí)電流就可以導(dǎo)通小功率的可控硅用于保護(hù)電路，關(guān)鍵是本次應(yīng)用的開(kāi)斷器件可控硅功率小、殘壓低、靈敏性高、開(kāi)斷快速，經(jīng)此設(shè)計(jì)的過(guò)電流保護(hù)電路較為理想[7]。

四、開(kāi)關(guān)電源過(guò)電流保護(hù)電路的優(yōu)化方法

由上可知，不同的過(guò)電流保護(hù)電路各有利弊，對(duì)開(kāi)關(guān)電源的影響也不盡相同，因此對(duì)比分析傳統(tǒng)的保護(hù)電路作了一定的優(yōu)化，希望有助于提升開(kāi)關(guān)電源過(guò)流保護(hù)性能，具體分析如下。

（一）傳統(tǒng)過(guò)電流保護(hù)設(shè)計(jì)的弊端

為更為直觀(guān)地了解開(kāi)關(guān)電源傳統(tǒng)的過(guò)電流保護(hù)電路的弊端，在此以圖1為例加以講解。已知圖中流經(jīng)采樣電阻RS的電流與電感電流IL相等，M0、M1均為開(kāi)關(guān)電源的功率管，M2表示反饋回路，C、L和RL分別代表輸出電容、儲(chǔ)能電感和負(fù)載電阻。由此可見(jiàn)該保護(hù)電路設(shè)計(jì)只包括采樣電阻和MOS管，若負(fù)載電流低于額定值，此時(shí)RS壓降不能導(dǎo)通M2故保護(hù)電路處于非工作狀態(tài);當(dāng)發(fā)生短路或負(fù)載過(guò)輕時(shí)，RS壓降則會(huì)突增達(dá)到M2閾值使其導(dǎo)通，進(jìn)而拉低M0電壓抑制電流的輸出，這樣的話(huà)，即使電流降低不能使RS壓降至M2閾值電壓，也會(huì)保證開(kāi)關(guān)管電壓恢復(fù)至正常狀態(tài);若負(fù)載始終處于短路狀態(tài)或負(fù)載過(guò)小，M2則會(huì)在負(fù)載過(guò)流情況下導(dǎo)通以及在正常情況下關(guān)斷，進(jìn)而保證電流恒定[8]。

但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)，輸出電流的限制不僅與RS有關(guān)，還會(huì)受到M2閾值電壓的影響，雖然可經(jīng)調(diào)整RS大小以及M2寬長(zhǎng)比加以改善，不過(guò)因?yàn)闇囟纫蛩睾凸に嚄l件有所不同，會(huì)導(dǎo)致限制電流音MOS管閾值電壓的變化而變化，適用于對(duì)過(guò)電流要求不同的保護(hù)電路，顯然應(yīng)用范圍有限，急需改進(jìn)。

（二）過(guò)電流保護(hù)電路設(shè)計(jì)的優(yōu)化

根據(jù)以上分析，本文提出了相應(yīng)的優(yōu)化建議，即基于直接電流采樣結(jié)合應(yīng)用溫度補(bǔ)償原理大大縮小限流門(mén)限，使其在相同的溫度影響下變化幅度最小，進(jìn)而彰顯良好的過(guò)電流保護(hù)電路性能，促進(jìn)開(kāi)關(guān)電源更廣范圍的應(yīng)用[9]。

1. 該過(guò)電流保護(hù)電路主要包括PTAT電流產(chǎn)生、限流采樣和比較器輸出三大部分，即通過(guò)采集開(kāi)關(guān)電源SW點(diǎn)的電壓完成電流采樣，其中限流采樣是采集整流管的壓降信息，用于是否過(guò)流狀態(tài)的判斷，比較器輸出則是比較處理信號(hào)并對(duì)輸出信號(hào)加以控制。

2. 該保護(hù)電路的關(guān)鍵在于過(guò)流采樣環(huán)節(jié)，并將該部分提取出來(lái)便于分析。根據(jù)圖2可知，采樣部分中的負(fù)載比較器采用的是cascode電流源，功率電壓為VP1電壓，通常為0 V，且在負(fù)載電流過(guò)大的情況下顯著降低SW點(diǎn)電壓，甚至降低M13柵級(jí)電壓為負(fù)值，所以為保證比較器工作正常，只需提供一定的偏置電壓即可實(shí)現(xiàn)飽和區(qū)工作，至于M12和M13兩個(gè)差分輸入管則要滿(mǎn)足相應(yīng)的條件方可工作在飽和區(qū)，即R1阻值不能過(guò)大，同時(shí)串聯(lián)于采樣支路中的NMOS管M11采用的是電壓穩(wěn)定的芯片柵級(jí)電壓，數(shù)值一般為5 V，且SW點(diǎn)電壓為源級(jí)電壓。結(jié)合開(kāi)關(guān)電源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)得知，當(dāng)SW點(diǎn)電壓最大值與芯片電源電壓相同時(shí)，該電源電壓往往會(huì)比內(nèi)部穩(wěn)定的電壓值（VDD）高，在此情況下M11會(huì)關(guān)斷采樣支路，從而避免SW點(diǎn)向VDD灌電流而影響內(nèi)部電壓的穩(wěn)定性。

3. 在分析仿真偏置電流的過(guò)程中，假設(shè)MOS管M2、M4和M1的寬長(zhǎng)比（W/L）為1∶1∶a，那么輸出的PTAT電流則可由公式 表示，且k、q、n均為常數(shù)，在理想狀況下R1與溫度無(wú)關(guān)，偏置電流具有正溫度系數(shù)，并經(jīng)電流鏡完成對(duì)外輸出[10]。不過(guò)在現(xiàn)實(shí)中電阻阻值會(huì)隨著溫度的變化而變化的，只是變化幅度有所差別，因此可以基于合理的溫度的變化關(guān)系設(shè)定電阻值的大小來(lái)限制電流的輸出。對(duì)此，假設(shè)VDD為5 V，分別在-40 ℃、25 ℃、85 ℃和125 ℃的溫度下仿真PTAT電路情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其電流大小與溫度之間具有正比關(guān)系，當(dāng)RS和R1工藝相同時(shí)有利于減少電阻隨溫度變化對(duì)過(guò)流門(mén)限的不良影響。值得一提的是，具體參數(shù)必須結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)算和確定，并將電路功耗問(wèn)題納入考慮范圍，以免因各路電流增加不必要的損耗。

4. 在驗(yàn)證該保護(hù)電路的性能時(shí)作了仿真（見(jiàn)圖3），其中M1為整流管，柵級(jí)電壓為5 V，i0為負(fù)載電流，保持其為導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，因整流管存在導(dǎo)通電阻，所以改變負(fù)載電流會(huì)使得SW點(diǎn)電壓隨之變化。按照設(shè)計(jì)要求給定條件，在柵級(jí)電壓、灌入電流分別為5 V和1 A的條件下，在不同溫度下加以仿真。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度為25 ℃時(shí)，整流管具有90 mΩ的導(dǎo)通電阻，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，且其隨著溫度的升高有所增大，將其溫度系數(shù)近似為488.4 ppm/℃。同時(shí)隨著溫度的變化，該過(guò)電流保護(hù)電路的跳變門(mén)限最大值與最小值分別為2.14 A和2.06 A，變化幅度和最大漂移分別為0.07 A和3.5%;最大靜態(tài)功耗僅為32 μW。與傳統(tǒng)過(guò)電流保護(hù)電路相比門(mén)限更低更準(zhǔn)且功耗更低，具有推廣價(jià)值。

五、結(jié)束語(yǔ)

總之，安全可靠性是衡量開(kāi)關(guān)電源優(yōu)劣的重要指標(biāo)，這使得過(guò)電流保護(hù)電路設(shè)計(jì)變得愈加重要，但在實(shí)際應(yīng)用中有多種設(shè)計(jì)策略可供選擇且各有利弊，所以我們應(yīng)該結(jié)合實(shí)際需求選擇最為適合的保護(hù)電路，為開(kāi)關(guān)電源的廣泛應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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