基于比較器的過壓保護(hù)電路設(shè)計方案

設(shè)計背景

幾乎所有的電子元器件，特別是半導(dǎo)體芯片對電壓都是敏感的，也就是說當(dāng)前級電源供給后級元器件或電路模塊的電壓超過后級所允許的最大電壓值時，后級器件或電路將無法正常工作，甚至徹底被損壞。因此，通過過壓保護(hù)措施限制供電電壓顯得非常重要。過壓保護(hù)是指當(dāng)被保護(hù)的電路電壓超過預(yù)定的最大值時，使電源斷開或使受控設(shè)備電壓降低的一種保護(hù)機制。

設(shè)計任務(wù)

直流電源電壓Us變化范圍為12V～36V，負(fù)載（Load）最大工作電壓為30V（Voltage<=30V），如果電源直接供給負(fù)載，那么負(fù)載將不能正常工作或被損壞（圖1）。

圖1.電源電壓與負(fù)載電壓不匹配

設(shè)計一個過壓保護(hù)電路，當(dāng)電源電壓大于等于30V時，受控開關(guān)關(guān)斷，切斷電源對負(fù)載的供電，以保護(hù)負(fù)載不因過壓而損壞。當(dāng)電源電壓小于30V時，受控開關(guān)閉合，電源對負(fù)載正常供電，且要求受控開關(guān)的導(dǎo)通壓降盡可能?。▓D2）。

圖2.以受控開關(guān)保護(hù)負(fù)載

電路拓?fù)錁?gòu)思

根據(jù)設(shè)計任務(wù)中的設(shè)計系統(tǒng)框圖描述，設(shè)計的核心任務(wù)是具體實現(xiàn)受控開關(guān)（controled switch）的條件動作，另外為了不影響電源的利用效率，考慮用高輸入電阻的器件來實現(xiàn)受控開關(guān)的功能，使電源和負(fù)載不被旁路分流，比如利用比較器驅(qū)動MOS管來控制電路的通斷。值得一提的的是，MOS管飽和導(dǎo)通后，漏源極（DS）之間的壓降及損耗很小，保證電源電壓幾乎無損失地供給負(fù)載。下面開始逐步構(gòu)造電路：

1. 以MOS管為受控開關(guān)

P溝道MOS管的阻尼二極管正極端連漏極（D），二極管負(fù)極連源極（S），要使MOS不至于無控導(dǎo)通，源極（S）必須接電源Us的正極。

圖3.以MOSFET為受控開關(guān)

2. 比較器控制MOS管

比較器的輸入電阻極高，對電源及負(fù)載影響很小。

圖4.比較器控制MOSFET

3.比較器基準(zhǔn)電壓

通過齊納二極管Z1給比較器反相端提供穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓，電阻R1使Z1有合適的反向擊穿電流，使其工作于穩(wěn)壓區(qū)域。

圖5.比較器基準(zhǔn)電壓

4.電阻分壓檢測電源電壓

通過電阻R2和R3對電源電壓Us進(jìn)行分壓，送給比較器同相端，此電壓與反向端的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，同相端電壓大于反相端電壓時（通過選擇合適的R2，R3分壓電阻，可使壓差避開比較器線性區(qū)），比較器輸出高電平（軌對軌滿幅電壓），P溝道MOS管Q1截止，斷開電源Us對負(fù)載Load的供電。相反的，當(dāng)同相端電壓小反相端電壓時，Q1導(dǎo)通，電源向負(fù)載正常供電。

圖5.電阻分壓檢測電源電壓

5. 限定柵源（GS）電壓

MOS管有最大柵源電壓的要求，如果實際的Ugs大于這個最大值，MOS管將會過壓損壞，所以，應(yīng)限定Ugs。這里采用穩(wěn)壓二極管Z2來實現(xiàn)限幅，電阻R4給Z2提供合適的電流，使其工作在反向擊穿穩(wěn)壓區(qū)。

圖6.限定柵源（GS）電壓

元件選型定參

圖7.電路拓?fù)涠ㄐ?/p>

1. 選擇比較器

在專業(yè)半導(dǎo)體網(wǎng)站（TI、NXP、NI、Maxim、Microchip等）或綜合電子器件數(shù)據(jù)手冊網(wǎng)站輸入關(guān)鍵詞comparator rail to rail high voltage（軌對軌高壓比較器）搜索常用的比較器。根據(jù)本設(shè)計的實際要求及搜索出的各種比較器的性能參數(shù)差異，最終選擇具有推晚輸出級，能夠在最高可能電源電壓下工作的高電壓比較器TLV1805，其主要特性如下：

（1）3.3V至40V電源（滿足Us=12~36V的要求）；

（2） 低靜態(tài)電流135uA，這么小的靜態(tài)電流不影響被控主回路的效率；

（3） 輸入偏置電流0.05pA；

（3）軌對軌高峰值電流推挽輸出，配合穩(wěn)壓限幅電路（Z2和R4）足以滿足MOS管的驅(qū)動要求；

（4）關(guān)斷后具有高阻態(tài)輸出，對被控主回路影響很??；

（5）SOT-23-6封裝，小尺寸6腳貼片安裝。

2.選擇MOS管（電路拓?fù)湟堰xP溝道）

選擇MOS管時，主要考慮柵源電壓（Ugs，通常約為20V）、漏源電壓（Vds，此設(shè)計為36V）、漏極持續(xù)電流Id。在本設(shè)計中，假設(shè)電源最大輸出電流為100mA（舉例而已，其它電流下的設(shè)計方法類似），為方便計算又不失可靠性，所有參數(shù)的降額系數(shù)取0.7~0.8，則所選MOS的參數(shù)要求如下：Ugs=20V，Vds=36/0.7=51V（選50V），Id=100/0.8=125mA，盡量選擇貼片封裝。在description選項中搜索關(guān)鍵詞P-channel 50V 125mA SOT， 經(jīng)過對比篩選確定使用LBSS84LT1，參數(shù)如下表：

表1.MOS管LBSS84LT1主要特性

3. 確定比較器基準(zhǔn)電壓

確定過壓檢測電路相應(yīng)基準(zhǔn)電平，選擇低于電源最低工作電壓范圍的基準(zhǔn)電壓，作為比較器的比較基準(zhǔn)，由于電源的最低工作電壓為12V，可選擇10V的齊納二極管Z1作為比較基準(zhǔn)（Vref），盡量選擇小功率（小穩(wěn)定電流），小貼片封裝的穩(wěn)壓管，可選ZMM10，封裝為SOD-80，穩(wěn)定工作電流為5mA~33mA。ZMM系列穩(wěn)壓管的伏安穩(wěn)壓特性如下圖（本是坐標(biāo)系第三象限反向擊穿特性，為方便看圖，故意畫到坐標(biāo)系第一象限）：

圖8.ZMM系列穩(wěn)壓管伏安特性

4. 計算Z1的限流電阻R1的阻值

電源電壓Us為12V時，取最小穩(wěn)定電流5mA時，R1=（12-10）/0.005=400Ω，取最大穩(wěn)定電流33mA時，R1=（36-10）/0.033=788Ω，由于電源Us變化范圍很寬（12~36V），應(yīng)使Z1在此電壓變化范圍內(nèi)都能穩(wěn)壓，可取R1=1k。校驗：在此阻值下，當(dāng)Us=12V，通過Z1的電流Iz1=(12-10)/1=2mA（比5mA稍小，也可以勉強穩(wěn)壓），當(dāng)Us=36V時，Iz1=(36-10)/1=26mA<33mA，符合要求。

5. 計算R1的功率

核算R1的功率P=Iz12×R1=0.0262×1000=0.676W，功率降額系數(shù)?、蚣壍?.6，于是P=0.676/0.7=1W，盡量采用貼片電阻，而1W功率對應(yīng)的封裝為2512，電阻誤差精度對穩(wěn)壓管工作影響很小，可取電阻精度為5%。貼片電阻封裝與功率及耐壓對照如下表：

表2.貼片電阻封裝與功率及耐壓對照表

R1耐壓校核：前述R1封裝選定為2512，耐壓高達(dá)200V，遠(yuǎn)大于Us的最大值36V，不言而喻R1滿足耐壓要求。

6.計算（R2,R3）電阻分壓器的分壓比

因為標(biāo)準(zhǔn)電阻的離散性，直接“死算”分壓器阻值是很麻煩的事，現(xiàn)在有了離線或在線的小軟件可以讓分壓電阻計算的過程變得簡單高效。個人比較喜歡TI公司的分壓計算器（Voltage Divider Calculator）。在本設(shè)計中，為使電源Us升至30V的目標(biāo)閾值過電壓（Vover）時，比較器的同相輸入（連電阻分壓點）超過基準(zhǔn)電壓Vref（10V）。如下圖所示：

圖9.分壓設(shè)計圖

也就是說，分壓器輸入電壓為30V，輸出為10V，設(shè)計時盡量選用E24系列的1%精密電阻（為增加比較器的比較精度，分壓器必須用精密電阻）。另外，考慮到電源輸出100mA，負(fù)載Load允許電壓的30V，故負(fù)載阻抗為30V/100mA=300Ω。為使電源Us的大部分電流流向負(fù)載Load，而不至過多分給分壓器，R2，R3盡量取大些（也不能太大，超過1MΩ可能會引入意想不到的電噪聲，而且阻值太大或太小的電阻易壞），可使R2+R3支路分得的電流在0.1mA以下（相對于主回路100mA很小，幾乎可以忽略），于是R2+R3=36V/0.1mA=360k（接近360k,至少300k以上），此外由前述可知比較器TLV1805的輸入偏置電流僅有0.05pA，比R2，R3分壓器支路的0.1mA小了2百萬多倍，而一般要求分壓支路電流為比較器輸入偏置電流的100倍以上，顯然符合電流對比要求。由以上分析可知，分壓計算器（Voltage Divider Calculator）的輸入電壓（Enter Input Voltage）設(shè)定為30（單位V省略），輸出電壓（Enter Desired Output Voltage）設(shè)定為10（單位V省略），電阻選擇系列（Select Resistor Sequence）設(shè)定為熟悉的E24，電阻比例尺度（Select Resistor Scale）設(shè)定為100000（即100k，這是為了滿足前述的R2+R3≥360k），設(shè)定完后，點擊Calculate，得到下面的結(jié)果：

圖10.TI分壓器計算計算結(jié)果

圖11.TI分壓器計算參考圖

選擇計算結(jié)果的第一項（Choice 1），最終本設(shè)計的R2=200000=200k，R3=100000=100k，精度都為1%。

7.電阻功率計算：經(jīng)過分壓器的最大電流為36V/(R2+R3)=36/(200+100)= 0.12mA ，R2功率0.122×200=2.88mW，?、窦壗殿~系數(shù) 0.5，于是R2功率為2.88/0.5=5.76mW=0.00576W，這個功耗比0201封裝的1/20W=0.05W小了將近10倍，因此任何封裝的貼片電阻都能滿足功率要求。R3/R2=100/200=1/2，二者是串聯(lián)關(guān)系，因此功率比也為1/2，于是R3的功率僅為R2功率的一半，即1.44mW，更加滿足功率要求，連0201封裝都能滿足。

耐壓計算：R2分壓為36×[R2/(R2+R3)]=36×（200/300）=24V，耐壓降額系數(shù)取0.5，最終耐壓為24/0.5=48，而0402及0603的耐壓都為50V，都能滿足耐壓要求，但是0402焊接工藝比較復(fù)雜，最終考慮選擇0603；R3的分壓為36-24=12V<50V，也滿足耐壓要求，為了與R2的封裝保持一致，也選0603。

綜合以上分析：R2為200k 1% 0603，R3為100k 1% 0603。

8. 穩(wěn)壓管Z2選型

圖12.場管GS限壓

為防止MOS管損壞，應(yīng)限制柵源極電壓（Vgs），而P溝道MOS管通常具有20V的Vgs最大值，取降額系數(shù)為0.8，那么Z2的穩(wěn)壓值選為20×0.8=16V，盡量選擇小功率（小穩(wěn)定電流），小貼片封裝的穩(wěn)壓管，可選ZMM16，封裝為SOD-80，穩(wěn)定工作電流為5mA~20mA。

8.計算Z2的限流電阻R4的阻值

電源電壓Us為閾值電壓30V時，比較器輸出低電平，相當(dāng)于R4下端接地，取最小穩(wěn)定電流5mA，于是R4=（30-16）/0.005=2800Ω，取最接近標(biāo)準(zhǔn)電阻2.7k。由于穩(wěn)壓管的穩(wěn)定工作電流范圍很寬，電阻的精度不影響穩(wěn)壓，可取一般精度5%。特別地，在Us=12V時，比較器同相端電壓為12×[100/(100+200)]=4V，反相端電壓為10V，于是同相端電壓小于反相端電壓，軌到軌比較器輸出滿幅電壓12V，即R4下端接4V電壓，而Z2負(fù)端電壓為12V，顯然壓差12-4=8V<16V，且8V<<20V，既不足以使Z2進(jìn)入穩(wěn)壓狀態(tài)，也不足以使MOS管截止，因此12V可直送給負(fù)載。

9.計算R4的功率

R4=2.7k，通過的電流為5mA，功率為52×2.7=67.5mW，功率降額系數(shù)取Ⅱ級的0.6，R4功率取67.5mW/0.6=112.5mW=0.1125W，該功率值小于且最接近0805封裝的1/8W (0.125W)，因此R4電阻選用0805封裝。

10.R4耐壓校核

0805封裝電阻的耐壓高達(dá)150V，而電源Us最大值為30V，因此無論如何0805封裝的R4都滿足耐壓要求。

最終，R4定為：2.7k，5%，0805。

至此，本設(shè)計所有元件的選型定參完畢，各元件參數(shù)如下面的原理圖所示：

圖13.完整設(shè)計原理圖

仿真驗證

電路拓?fù)浜驮x型定參結(jié)束后，應(yīng)進(jìn)行驗證。驗證有兩種方式：實物驗證（洞洞板或面包板搭接驗證、PCB開板試制），仿真驗證（Proteus，Pspice，Saber，Multisim，Matlab等）。小規(guī)模電路用仿真驗證比較經(jīng)濟，本設(shè)計使用Saber進(jìn)行仿真驗證。使用Saber的analyses(分析)功能的DC Transfer Analysis（直流傳輸分析）功能進(jìn)行掃描分析，如下圖所示：

圖14.進(jìn)入saber sketch的DC Transfer Analysis

設(shè)置參數(shù)：獨立電源從12V到36V，步長0.2V，采樣密度0.2，如下圖所示：

圖15.掃描參數(shù)設(shè)置

點擊上圖的OK按鍵，經(jīng)過短暫時間的運行，輸出下面的仿真結(jié)果：

圖16.仿真輸出波形

雙擊上面的輸出波形，得到示波器顯示的細(xì)觀波形：

圖17.輸出細(xì)觀波形

結(jié)論：電源電壓從12V逐步增加到36V（橫坐標(biāo)），過壓保護(hù)電路在電源電壓小于30V時，原樣輸出；當(dāng)電源電壓超過30V時，MOS管快速截斷電源對負(fù)載的供電（30V~30.2V為過渡過程）。至此，設(shè)計的電路實現(xiàn)了設(shè)計任務(wù)的所有要求。

設(shè)計后記

真正的設(shè)計，哪怕是成熟的、簡單的單元設(shè)計，一定要經(jīng)過三個過程：電路拓?fù)錁?gòu)思、元件選型定參數(shù)、設(shè)計驗證，絕對不是生搬硬抄、無頭無尾、無根無據(jù)、語焉不詳。這是我今后寫設(shè)計文檔的基本要求。