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电路保护巧设计:使用比较器实现欠压/过压闭锁设计
[作者 Alan Yang]   2022年06月02日 星期四 浏览人次: [1951]

本文详细探讨如何使用比较器来实现电路保护中的欠压/过压闭锁,并利用电阻分压器调整电源欠压和过压闭锁??值,同时透过导入迟滞设计来提高整个电路抗杂讯能力。


在电子设备的实际应用中,可能会遇到输入电压不稳的情况。例如使用电池的可携式设备应用,输入电压Vin可能很难保持非常稳定。为了防止电压过低或过高影响後续电路,有时有必要增加欠压/过压闭锁设计。


欠压闭锁(UVLO)/过压闭锁(OVLO)两个概念的定义如下:


· 欠压闭锁(UVLO):输入电压达到某一??值,後续电路导通,可防止下游电子系统在异常低的电源电压下工作。


· 过压闭锁(OVLO):输入电压超过某一??值,後续电路断开,可保护系统免受极高电源电压的影响。


本文探讨如何使用比较器来实现欠压/过压闭锁,并利用电阻分压器调整电源欠压和过压闭锁??值,同时透过导入迟滞设计来提高整个电路抗杂讯能力。


欠压闭锁(UVLO)电路设计

如图1所示,为了实现欠压闭锁(UVLO)电路设计,我们需要:


· 一个比较器


· 一个基准电源VT


· 一个功率开关(比如MOS电晶体)


· 分压电阻,用来调节??值


·



图1 : 电阻分压设计中的欠压闭锁电路(source:ADI)
图1 : 电阻分压设计中的欠压闭锁电路(source:ADI)

当输入电压从0 V开始上升到UVLO??值电压之前,功率开关保持断开状态;超过UVLO??值电压,功率开关导通,整个电路正常工作。


欠压闭锁(UVLO)+ 过压闭锁(OVLO)电路设计

与使用两个电阻串联相比,三个电阻串联可设置欠压和过压闭锁??值。



图2 : 欠压闭锁(UVLO) + 过压闭锁(OVLO)电路设计(source:ADI)
图2 : 欠压闭锁(UVLO) + 过压闭锁(OVLO)电路设计(source:ADI)

如图2所示,两个比较器输出连接到逻辑及闸,逻辑及闸再连接功率开关。


当输入电压从0V到UVLO??值电压,电路断开;从UVLO??值电压到OVLO??值电压,电路导通;超过OVLO??值电压,电路断开。


■ 功率开关的选择:N沟道MOS电晶体 vs. P沟道MOS电晶体

在欠压/过压闭锁设计中,功率开关可以使用N沟道或P沟道MOS电晶体来实现。


使用N沟道MOS电晶体做为功率开关时,会有一个小问题,如图3所示:



图3 : 使用N沟道MOS电晶体,做为欠压闭锁电路功率开关(source:ADI)
图3 : 使用N沟道MOS电晶体,做为欠压闭锁电路功率开关(source:ADI)

当栅极(G)电压为低电压(例如:0 V)时断开(高电阻)。当栅极(G)电压为高电压时导通,为了完全导通(低电阻)N沟道MOS电晶体,栅极(G)电压必须比源极电压(S)高出MOS电晶体??值电压。而导通时,MOS电晶体源极(S)与漏极(D)电压一致,也就是要求栅极(G)电压必须比电源电压高出MOS电晶体??值电压。因此,这需要使用电荷泵来解决这个问题。


当然,使用一些专用的欠压/过压保护晶片例如LTC4365、LTC4367和LTC4368整合了比较器和电荷泵。可驱动N沟道MOSFET,同时静态功率消耗较低。


P沟道MOSFET不需要使用电荷泵,但闸极电压极性相反;亦即低电压时开关导通,而高电压时断开P沟道MOS电晶体。


带有迟滞功能的欠压闭锁电路/欠压闭锁电路

对於上述应用,如果输入电压上升缓慢并且有杂讯,或者在电池的应用场景中,电池本身的内阻导致电压随着负载电流变大而下降,比较器输入电压可能会在??值电压附近波动。


为了避免这种类型的波动导致电路的反覆振荡,需要导入迟滞来避免这种振荡。比如使用有磁滞的比较器,或者加一些被动元件来实现磁滞功能,进而提高比较器抗杂讯能力。


如图4所示,欠压闭锁电路中,在比较器的正输入与输出之间增加一个电阻(RH),来实现延迟。



图4 : 带有迟滞功能的欠压闭锁电路(source:ADI)
图4 : 带有迟滞功能的欠压闭锁电路(source:ADI)

举个直观的例子,假设VT=1V,RT=10 × RB


· 不加RH时,则上升和下降??值为11 V。


· 增加RH= 100 × RB,则上升输入??值为11.1V,下降??值为10.09V;亦即迟滞为1.01V。注意该方法对OVLO无效。


如果过压OVLO需要带有迟滞功能,该如何实现呢?增加迟滞的另一个方法是,可以加一个开关来改变底部电阻有效值。



图5 : 带有迟滞功能的欠压/过压闭锁电路(source:ADI)
图5 : 带有迟滞功能的欠压/过压闭锁电路(source:ADI)

如图5:当VIN高於??值之後,比较器低电平输出,断开M1,进而使RH与整个电路断开


该方法在欠压闭锁电路和过压闭锁电路中均可使用。


■ 带磁滞功能的比较器

要实现磁滞功能,一种简便的方法是直接使用带磁滞功能的比较器。


可以在Digi-Key筛选器中,在类型栏中选择「窗囗」,即是带磁滞功能的比较器。



图6 : 在Digi-Key网站中搜索带磁滞功能比较器
图6 : 在Digi-Key网站中搜索带磁滞功能比较器

这类比较器会针对上升输入(例如:V +视窗宽度/2)和下降输入(例如:V - 视窗宽度/2)提供不同的??值。



图7 : 带磁滞功能比较器的输入输出关系(source:ADI LTC1042CN8#PBF数据手册)
图7 : 带磁滞功能比较器的输入输出关系(source:ADI LTC1042CN8#PBF数据手册)

结论

依据比较器的相同控制电路,利用电阻分压器,可以轻松实现欠压和过压电路设计。面对电源杂讯,可以使用带有迟滞功能的比较器,也可以调节回??来实现迟滞功能,以防止电源超过??值时出现电源开关打开和关闭颤振。


(本文由Digi-Key Electronics提供;作者Alan Yang任职於得捷电子Digi-Key)


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