電路保護(hù)中的欠壓/過壓閉鎖實(shí)用巧設(shè)計(jì)

在電子設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用中，可能會(huì)遇到輸入電壓不穩(wěn)的情況。例如使用電池的便攜式設(shè)備應(yīng)用，輸入電壓Vin可能很難保持非常穩(wěn)定。為了防止電壓過低或過高影響后續(xù)電路，有時(shí)有必要增加欠壓/過壓閉鎖設(shè)計(jì)。

欠壓閉鎖(UVLO)/ 過壓閉鎖(OVLO)兩個(gè)概念的定義如下：

? 欠壓閉鎖(UVLO)，輸入電壓達(dá)到某一閾值，后續(xù)電路導(dǎo)通，可防止下游電子系統(tǒng)在異常低的電源電壓下工作。

? 過壓閉鎖(OVLO)，輸入電壓超過某一閾值，后續(xù)電路斷開，可保護(hù)系統(tǒng)免受極高電源電壓的影響。

本文與大家探討，如何使用比較器來實(shí)現(xiàn)欠壓/過壓閉鎖，并利用電阻分壓器調(diào)整電源欠壓和過壓閉鎖閾值，同時(shí)通過引入遲滯設(shè)計(jì)來提高整個(gè)電路抗噪聲能力。

欠壓閉鎖 **(UVLO) **電路設(shè)計(jì)

如下圖所示，為了實(shí)現(xiàn)欠壓閉鎖(UVLO) 電路設(shè)計(jì)，我們需要：

? 一個(gè)比較器

? 一個(gè)基準(zhǔn)電源VT

? 一個(gè)功率開關(guān)（比如MOS管）

? 分壓電阻，用來調(diào)節(jié)閾值

圖1：電阻分壓設(shè)計(jì)中的欠壓閉鎖電路（圖片來源：ADI）

（公式1）

當(dāng)輸入電壓從0 V開始上升到UVLO閾值電壓之前，功率開關(guān)保持?jǐn)嚅_狀態(tài)；超過UVLO閾值電壓，功率開關(guān)導(dǎo)通，整個(gè)電路正常工作。

欠壓閉鎖 **(UVLO) ** +過壓閉鎖(OVLO)電路設(shè)計(jì)

與使用兩個(gè)電阻串聯(lián)相比，三個(gè)電阻串聯(lián)可設(shè)置欠壓和過壓閉鎖閾值。

圖2：欠壓閉鎖(UVLO) + 過壓閉鎖(OVLO)電路設(shè)計(jì)（圖片來源：ADI）

如上圖所示，兩個(gè)比較器輸出連接到邏輯與門，邏輯與門再連接功率開關(guān)。

（公式2）

（公式3）

當(dāng)輸入電壓從0V到UVLO閾值電壓，電路斷開；從UVLO閾值電壓到OVLO閾值電壓，電路導(dǎo)通；超過OVLO閾值電壓，電路斷開。

n 功率開關(guān)的選擇：N溝道MOS****管vs.P溝道MOS管

在欠壓/過壓閉鎖設(shè)計(jì)中，功率開關(guān)可以使用N溝道或P溝道MOS管來實(shí)現(xiàn)。

使用N溝道MOS管作為功率開關(guān)時(shí)，會(huì)有一個(gè)小問題, 如下圖所示：

圖3：使用N溝道MOS管，作為欠壓閉鎖電路功率開關(guān)（圖片來源：ADI）

當(dāng)柵極(G)電壓為低電壓（例如：0 V）時(shí)斷開（高電阻）。當(dāng)柵極(G)電壓為高電壓時(shí)導(dǎo)通，為了完全導(dǎo)通（低電阻）N溝道MOS管，柵極(G)電壓必須比源極電壓(S)高出MOS管閾值電壓。

而導(dǎo)通時(shí)，MOS管源極(S)與漏極(D)電壓一致，也就是要求柵極(G)電壓必須比電源電壓高出MOS管閾值電壓。因此，這需要使用電荷泵來解決這個(gè)問題。

當(dāng)然，使用一些專用的欠壓/過壓保護(hù)芯片——如LTC4365、LTC4367和LTC4368——它們集成了比較器和電荷泵?？沈?qū)動(dòng)N溝道MOSFET，同時(shí)靜態(tài)功耗較低。

P溝道MOSFET不需要使用電荷泵，但柵極電壓極性相反；也就是說，低電壓時(shí)開關(guān)導(dǎo)通，而高電壓時(shí)斷開P溝道MOS管。

帶有遲滯功能的欠壓閉鎖電路/欠壓閉鎖電路

對(duì)于上面的應(yīng)用，如果輸入電壓上升緩慢并且有噪聲，或者在電池的應(yīng)用場(chǎng)景中，電池本身的內(nèi)阻導(dǎo)致電壓隨著負(fù)載電流變大而下降，比較器輸入電壓可能會(huì)在閾值電壓附近波動(dòng)。

為了避免這種類型的波動(dòng)導(dǎo)致電路的反復(fù)振蕩，需要引入遲滯來避免這種振蕩。比如使用有磁滯的比較器，或者加一些被動(dòng)器件來實(shí)現(xiàn)磁滯功能，從而提高比較器抗噪聲能力。

如下圖所示，欠壓閉鎖電路中，在比較器的正輸入與輸出之間增加一個(gè)電阻（R H ），來實(shí)現(xiàn)延遲。

圖4：帶有遲滯功能的欠壓閉鎖電路 （圖片來源：ADI）

根據(jù)計(jì)算可以得出：

· 上升沿時(shí)，（公式4）

· 下降沿時(shí)，（公式5）

舉個(gè)直觀的例子，假設(shè)V T =1V, R T =10 × R B ：

· 不加RH時(shí)，則上升和下降閾值為11 V（帶入公式1）。

· 增加RH = 100 × R B ，則上升輸入閾值為11.1V（帶入公式4），下降閾值為10.09V（帶入公式5）；也就是說，遲滯為1.01V。注意該方法對(duì)OVLO無效。

如果過壓OVLO需要帶有遲滯功能，該如何實(shí)現(xiàn)呢？增加遲滯的另一個(gè)方法是，可以加一個(gè)開關(guān)來改變底部電阻有效值。

圖5：帶有遲滯功能的欠壓/過壓閉鎖電路 （圖片來源：ADI）

如上圖：

· 上升沿時(shí)，

· 當(dāng)VIN高于閾值之后，比較器低電平輸出，斷開M1, 從而使RH與整個(gè)電路斷開

· 下降沿時(shí)，

該方法在欠壓閉鎖電路和過壓閉鎖電路中均可使用。

n 帶磁滯功能****的比較器

要實(shí)現(xiàn)磁滯功能，一種簡(jiǎn)便的方法是直接使用帶磁滯功能的比較器。

可以在Digi-Key篩選器中，在類型欄中選擇“窗口”，即是帶磁滯功能的比較器。（Digi-Key帶磁滯功能比較器）

圖6：在Digi-Key網(wǎng)站中搜索帶磁滯功能比較器

這類比較器會(huì)針對(duì)上升輸入（例如：V +窗口寬度/2）和下降輸入（例如：V - 窗口寬度/2）提供不同的閾值。

圖7：帶磁滯功能比較器的輸入輸出關(guān)系（圖片來源: ADI LTC1042CN8#PBF數(shù)據(jù)手冊(cè)）

本文小結(jié)

基于比較器的相同控制電路，利用電阻分壓器，可以輕松實(shí)現(xiàn)欠壓和過壓電路設(shè)計(jì)。面對(duì)電源噪聲，可以使用帶有遲滯功能的比較器，也可以調(diào)節(jié)反饋來實(shí)現(xiàn)遲滯功能，以防止電源超過閾值時(shí)出現(xiàn)電源開關(guān)打開和關(guān)閉顫振。