自動限流調(diào)節(jié)保護(hù)功率開關(guān)

某些負(fù)載在啟動期間比工作時需要更大的電流;有些負(fù)載則可在啟動期間將電流限制到較低的功率水平，但在工作期間需要較大的電流。本文介紹的應(yīng)用電路在完成啟動后可以自動調(diào)高或調(diào)低功率電路的過流保護(hù)水平。

　　在電源和其負(fù)載之間安裝開關(guān)和保險絲，可以控制和保護(hù)電源。改進(jìn)方法是通過將簡單的開關(guān)和保險絲集成在單個封裝內(nèi)實(shí)現(xiàn)相同的功能，且無需更換器件和維 護(hù)。本文介紹的MAX5976熱插拔電源解決方案在內(nèi)部集成了功率MOSFET和驅(qū)動電路，能夠提供通斷控制以及保護(hù)。期望的過流保護(hù)等級由一個外部的接 地電阻設(shè)置。

　　雖然具體的功能細(xì)節(jié)和特性有所不同，但大多數(shù)集成負(fù)載開關(guān)采用了相同的工作原理。在啟動期間，負(fù)載開關(guān)的驅(qū)動器電路將打開MOSFET，并監(jiān)測負(fù)載電 流和MOSFET開關(guān)的溫度。如果啟動電流在MOSFET完全導(dǎo)通之前達(dá)到了設(shè)置的過流門限，驅(qū)動電路將快速地降低柵極驅(qū)動，以便負(fù)載開關(guān)器件像恒流源一 樣工作。這種工作模式可以持續(xù)一段有限的時間。如果輸出電壓在該時間限制結(jié)束時沒有上升到接近輸入電壓的數(shù)值，負(fù)載開關(guān)將會關(guān)斷，并觸發(fā)故障狀態(tài)輸出以指 示啟動失敗。如果輸出在啟動定時超時之前順利地上升到規(guī)定電壓，則將觸發(fā)電源就緒指示輸出。

　　如果負(fù)載電流在啟動之后的任何時間超出了所設(shè)置的過流門限，負(fù)載開關(guān)將作為電子斷路器關(guān)斷內(nèi)部功率開關(guān)。這將保護(hù)上游電源不被輸出過載或短路故障損壞。

　　啟動后更改過流閾值

　　有些負(fù)載設(shè)備啟動時的電流大于工作狀態(tài)下的電流。例如，當(dāng)負(fù)載帶有較大的輸入旁路電容時可能需要較大的充電電流，而在上電之后將消耗很小的工作電流。 同樣，帶有電機(jī)的設(shè)備(例如磁盤驅(qū)動器)在啟動時需要較大的旋轉(zhuǎn)電流，而一旦達(dá)到速度的最大值，電機(jī)消耗的電流會降低許多。

　　為了在這些情況下提供最佳的保護(hù)，最好把過流保護(hù)閾值設(shè)置在接近較低的工作電流。不過，這將導(dǎo)致在啟動過程中，當(dāng)負(fù)載開關(guān)(例如MAX5976)箝制電流而出現(xiàn)電流匱乏的情況，這樣將無法支持輸出電壓的上升。實(shí)際上，在這種情況下輸出電壓可以進(jìn)入折返式保護(hù)。

　　為解決這一問題，可以采用簡單的反相方法：啟動之后，在負(fù)載開關(guān)的電源就緒開漏輸出(PG)端并聯(lián)一個二級限流配置電阻。該設(shè)計(圖1)降低了啟動之 后負(fù)載可獲得的電流。在啟動期間，當(dāng)輸出電壓低于輸入時，PG輸出為低電平，電流限值由RCB1決定;當(dāng)輸出升高到規(guī)定值且電源就緒狀態(tài)延遲16ms 后，PG輸出進(jìn)入高阻態(tài)。這使得Q1的柵極得以升高，將第二個電阻RCB2與RCB1并聯(lián)，從而降低過流閾值。

　　圖1：PG輸出控制外部晶體管，以降低啟動之后的過流門限。

　　電路工作過程如圖2所示，此時MAX5976啟動負(fù)載為330μF、8.9Ω。最初，MAX5976將浪涌電流箝制在3A，由RCB1=17.4kΩ 決定。達(dá)到VOUT后，負(fù)載電阻的電流為1.3A。PG輸出在VOUT升高16ms后變?yōu)楦唠娖?，將RCB2=12.1kΩ并聯(lián)到RCB1，使斷路器門限 降至1.25A。MAX5976斷路器比較器可容許額外的4.8ms過流，然后關(guān)斷(對于更大的過載電流，將更快速地觸發(fā)斷路器關(guān)斷)。

　　也可利用其他信號將電阻切入或切出CB(限流閾值設(shè)置)電路。這種靈活性使各種電源管理成為可能。例如，可以利用上電復(fù)位(POR)管理器件將啟動定時擴(kuò)展至正好超過默認(rèn)的PG延遲。如果要容許磁盤驅(qū)動器電機(jī)旋轉(zhuǎn)到運(yùn)行速度，就可能需要這樣的功能。

　對于高度可配置的過流保護(hù)電路，可組合使用集成負(fù)載開關(guān)和數(shù)字電位器(例如MAX5434)。這種配置允許微控制器(或生產(chǎn)夾具)根據(jù)需要設(shè)置過流限值，而無需更改物理器件。圖2所示為此類應(yīng)用電路。

　　圖2：MAX5976與非易失數(shù)字電位器MAX5434組合使用，實(shí)現(xiàn)可編程過流限值。

　　在熱約束非常關(guān)鍵的應(yīng)用中，可利用負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻設(shè)置電流限值。NTC熱敏電阻提供一個保護(hù)門限，在負(fù)載開始過熱時自動降低，從而防止?jié)撛诘墓收习l(fā)展到不可恢復(fù)的程度。

　　本文小結(jié)

　　由于MAX5976及類似器件采用單電阻設(shè)置軟啟動和過流保護(hù)水平，因此對基本應(yīng)用電路進(jìn)行簡單改動，就可以適應(yīng)啟動和運(yùn)行電流要求變化非常寬的復(fù)雜負(fù)載。我們能夠很容易地將集成負(fù)載開關(guān)的高集成度和性能與復(fù)雜的狀態(tài)依賴型過流保護(hù)相結(jié)合。

　　圖2：圖1所示電路啟動330μF、8.9Ω 負(fù)載，RCB1=17.4kΩ，RCB2=12.1kΩ。

　　相反，有些負(fù)載必須緩慢啟動，以免負(fù)載開關(guān)的內(nèi)部MOSFET功耗過大，同時輸出電壓呈斜坡上升。那么，如果完全增強(qiáng)MOSFET，則可在沒有過大損 耗的情況下提供更大的電流。在這種情況下，可簡單地利用MAX5976的PG輸出本身來控制并聯(lián)配置電阻(圖3)。完成啟動后，PG輸出變?yōu)楦咦?，此時斷 開并聯(lián)電阻，并增大可提供給負(fù)載的電流。

　　圖3：用于增大啟動后過流限值的開漏PG輸出。