開關(guān)電源過電流保護電路設(shè)計分析

王攀

摘要：眾所周知，電子裝置的運行離不開開關(guān)電源的支持，雖然在長期使用過程中會出現(xiàn)損壞，但絕大多數(shù)情況下與保護電路有關(guān)。對此，筆者闡述了開關(guān)電源保護電路的重要性，分析當下不同過電流保護電路的特點，并提出一種新型保護電路方式，希望對提升開關(guān)電源過電流保護電路性能有所啟示。

關(guān)鍵詞：開關(guān)電源;過電流;保護電路

一、前言

對于電子裝置而言，開關(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，而這需要保護電路的支持，其中過電流保護電路尤為重要，但需要結(jié)合開關(guān)電源的實際情況選擇與之匹配的保護策略，唯有如此，開關(guān)電源的安全性和可靠性才能得到良好的保障。

二、開關(guān)電源過電流保護電路的重要性

所謂的開關(guān)電源是在現(xiàn)代電子電力技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過控制開關(guān)及其時間比用于保持輸出電壓穩(wěn)定，以此滿足不同用戶端對電壓或電流的實際需求[1]。近年來正朝著高效率、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。

但電流的增大往往伴隨著熱量的增加，開關(guān)電源也是如此，盡管在正常情況下開關(guān)電源損壞的風險相對較小，但若遇到負載突增、雷雨天氣以及環(huán)境變化等極端情況時則極易損壞，這是因為上述問題的出現(xiàn)通常會導(dǎo)致電子設(shè)備電流過大，進而產(chǎn)生大量的熱量，而開關(guān)電源作為關(guān)鍵模塊也不可避免地會受此影響，顯然不利于開關(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)境下的開關(guān)電源仍然能夠安全可靠的運行，就必須做好過電流保護電路設(shè)計，如此一來，當電流過大時便可以及時將其變化情況傳至芯片的內(nèi)部控制環(huán)路，通過調(diào)整控制電流最大限度的減少對開關(guān)電源的影響，這也是將安全性作為衡量開關(guān)電源質(zhì)量重要指標的原因所在。

三、開關(guān)電源過電流保護電路的設(shè)計策略

（一）以繼電器和達林頓管為基礎(chǔ)

在開關(guān)電源過電流保護電路設(shè)計中選擇以繼電器和達林頓管為基礎(chǔ)的初衷在于規(guī)避2A漏極電流對核心芯片和電子器件的不良影響，具體需要通過脈寬調(diào)制芯片自動停止輸出脈寬來實現(xiàn)，所以選用的是阻值為0.7 Ω、精度在1/100以上的電阻R1，這樣的話當開關(guān)管電流高于2 A時便可以依次導(dǎo)通達林頓管和繼電器（12 V），促使開關(guān)由常閉狀態(tài)變?yōu)殚_啟狀態(tài)，最終使得芯片失電停止工作，發(fā)揮保護電路和開關(guān)管的效用，而且在大電流消失后芯片會自動恢復(fù)供電，使得開關(guān)電源再次工作[3]。雖然經(jīng)仿真測試發(fā)現(xiàn)，在漏級電流為2.07 A時便可以啟動保護，不僅可靠還穩(wěn)定，但文中提及的開斷器件-繼電器具有電流沖擊較大以及開斷速度較慢的缺點，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)計策略的目的在于當開關(guān)管漏級電流值為2 A時可通過自動停止芯片輸出脈寬以保護電路和器件安全，配以1/100以上精度、阻值為2 Ω的電阻（R1）和幅值3 V、型號1N4372A的穩(wěn)壓二極管，保證開關(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），此時開關(guān)轉(zhuǎn)為開啟狀態(tài)，意味著脈寬調(diào)制芯片無電源供應(yīng)而停止運行，發(fā)揮了保護開關(guān)管及其相應(yīng)電路的作用，后經(jīng)仿真測試發(fā)現(xiàn)，在漏極電流為2.1 A時繼電器便會工作用于保護電路不受影響。與基于繼電器和光電隔離器的保護電路一樣，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)手段進行改進[4]。

（三）以TL431和光電隔離器為基礎(chǔ)

該類過電流保護電路的設(shè)計目標是在開關(guān)管漏級電流為2 A時自動停止芯片對脈寬的輸出，進而保護核心芯片及器件，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，確保開關(guān)管電路中存在2 A以上的電流時能夠促使型號為TLP521-1的光電隔離器發(fā)射極和接收端導(dǎo)通，通過阻值為100 Ω的電阻R2上高電壓的形成導(dǎo)通開斷器件TL431，使得芯片失電保護電路[5]。重要的是當電路中的大電流消失后可快速實現(xiàn)芯片供電，此時開關(guān)電源恢復(fù)正常工作，而且仿真測試結(jié)果表明，電路中有2.06 A的漏級電流就可以導(dǎo)通TL431實現(xiàn)電路保護，雖然較之繼電器，TL431開斷靈敏快速，但存在關(guān)斷殘壓的風險，還需在設(shè)計電路時將其消除以免埋下安全隱患。

（四）以LM393N和光電隔離器為基礎(chǔ)

與前文的設(shè)計目標一致，但該開關(guān)電源過電流保護電路選用的是高精度2 Ω電阻R1和1N4372A穩(wěn)壓二極管，以此保證在開關(guān)管電流大于2 A時能夠?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，可以通過導(dǎo)通三極管使脈寬調(diào)制芯片失電停止工作，最終達到保護開關(guān)管和電路的目的[6]。同時仿真測試表明，漏級電流只需達到2.06 A，比較器就會輸出高電平導(dǎo)通三極管啟動電路保護。本次設(shè)計的判決器件LM393N和關(guān)斷器件三極管，不僅開斷靈敏迅速而且不存在物理損耗，但關(guān)斷殘壓問題不可避免，需要在設(shè)計環(huán)節(jié)將其消除。

此外，達林頓管和可控硅也可用于過電流保護電路的設(shè)計，即選用0.7 Ω、精度在1/100以上的電阻，當開關(guān)管電流在2 A之上時可導(dǎo)通達林頓管和可控硅，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自動恢復(fù)供電促使電源重新工作。仿真結(jié)果顯示，2.01 A的漏級電流就可以導(dǎo)通小功率的可控硅用于保護電路，關(guān)鍵是本次應(yīng)用的開斷器件可控硅功率小、殘壓低、靈敏性高、開斷快速，經(jīng)此設(shè)計的過電流保護電路較為理想[7]。

四、開關(guān)電源過電流保護電路的優(yōu)化方法

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

（一）傳統(tǒng)過電流保護設(shè)計的弊端

為更為直觀地了解開關(guān)電源傳統(tǒng)的過電流保護電路的弊端，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、儲能電感和負載電阻。由此可見該保護電路設(shè)計只包括采樣電阻和MOS管，若負載電流低于額定值，此時RS壓降不能導(dǎo)通M2故保護電路處于非工作狀態(tài);當發(fā)生短路或負載過輕時，RS壓降則會突增達到M2閾值使其導(dǎo)通，進而拉低M0電壓抑制電流的輸出，這樣的話，即使電流降低不能使RS壓降至M2閾值電壓，也會保證開關(guān)管電壓恢復(fù)至正常狀態(tài);若負載始終處于短路狀態(tài)或負載過小，M2則會在負載過流情況下導(dǎo)通以及在正常情況下關(guān)斷，進而保證電流恒定[8]。

但在實際應(yīng)用過程中可以發(fā)現(xiàn)，輸出電流的限制不僅與RS有關(guān)，還會受到M2閾值電壓的影響，雖然可經(jīng)調(diào)整RS大小以及M2寬長比加以改善，不過因為溫度因素和工藝條件有所不同，會導(dǎo)致限制電流音MOS管閾值電壓的變化而變化，適用于對過電流要求不同的保護電路，顯然應(yīng)用范圍有限，急需改進。

（二）過電流保護電路設(shè)計的優(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)用溫度補償原理大大縮小限流門限，使其在相同的溫度影響下變化幅度最小，進而彰顯良好的過電流保護電路性能，促進開關(guān)電源更廣范圍的應(yīng)用[9]。

1. 該過電流保護電路主要包括PTAT電流產(chǎn)生、限流采樣和比較器輸出三大部分，即通過采集開關(guān)電源SW點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，用于是否過流狀態(tài)的判斷，比較器輸出則是比較處理信號并對輸出信號加以控制。

2. 該保護電路的關(guān)鍵在于過流采樣環(huán)節(jié)，并將該部分提取出來便于分析。根據(jù)圖2可知，采樣部分中的負載比較器采用的是cascode電流源，功率電壓為VP1電壓，通常為0 V，且在負載電流過大的情況下顯著降低SW點電壓，甚至降低M13柵級電壓為負值，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現(xiàn)飽和區(qū)工作，至于M12和M13兩個差分輸入管則要滿足相應(yīng)的條件方可工作在飽和區(qū)，即R1阻值不能過大，同時串聯(lián)于采樣支路中的NMOS管M11采用的是電壓穩(wěn)定的芯片柵級電壓，數(shù)值一般為5 V，且SW點電壓為源級電壓。結(jié)合開關(guān)電源結(jié)構(gòu)特點得知，當SW點電壓最大值與芯片電源電壓相同時，該電源電壓往往會比內(nèi)部穩(wěn)定的電壓值（VDD）高，在此情況下M11會關(guān)斷采樣支路，從而避免SW點向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程中，假設(shè)MOS管M2、M4和M1的寬長比（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與溫度無關(guān)，偏置電流具有正溫度系數(shù)，并經(jīng)電流鏡完成對外輸出[10]。不過在現(xiàn)實中電阻阻值會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)定電阻值的大小來限制電流的輸出。對此，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RS和R1工藝相同時有利于減少電阻隨溫度變化對過流門限的不良影響。值得一提的是，具體參數(shù)必須結(jié)合實際情況進行計算和確定，并將電路功耗問題納入考慮范圍，以免因各路電流增加不必要的損耗。

4. 在驗證該保護電路的性能時作了仿真（見圖3），其中M1為整流管，柵級電壓為5 V，i0為負載電流，保持其為導(dǎo)通狀態(tài)時，因整流管存在導(dǎo)通電阻，所以改變負載電流會使得SW點電壓隨之變化。按照設(shè)計要求給定條件，在柵級電壓、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)，當溫度為25 ℃時，整流管具有90 mΩ的導(dǎo)通電阻，達到了設(shè)計要求，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/℃。同時隨著溫度的變化，該過電流保護電路的跳變門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)過電流保護電路相比門限更低更準且功耗更低，具有推廣價值。

五、結(jié)束語

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

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