IBA基電源系統(tǒng)的保護電路(05-100)

　　輸出過壓保護

　　由于尺寸的減小,使得新式低電壓IC對過壓條件特別敏感。電源過壓可能導(dǎo)致半導(dǎo)體結(jié)擊穿。這可能經(jīng)器件產(chǎn)生低電阻通路,而變成局部熱源。

　　若電阻對于斷開轉(zhuǎn)換器的過載保護電路不是足夠低,則失效器件可能變得熱失控。其結(jié)果是冒煙,起火燒壞板和元件,有嚴(yán)重的氣味。

　　因此,在損耗可能發(fā)生前,檢測和適當(dāng)?shù)仨憫?yīng)任何的輸出過壓條件是極其重要的。

　　購買的AC-DC電源和隔離DC-DC單元具有防止持續(xù)過壓條件的性能。首先,電源軌的隔離特性防止輸出過壓引起的任何短路MOSFET。其次,用分離基準(zhǔn)來監(jiān)控器件輸出電壓。若輸出電壓變得太高,一個分離信號穿過隔離邊界來閉鎖脈寬調(diào)制(PWM)控制器。

　　然而,相當(dāng)可靠的非隔離同步降壓轉(zhuǎn)換器(最普通的niPOL)給出持續(xù)的過壓條件來響應(yīng)幾個單點失效條件(圖3)。首先考慮R1的焊點斷開將會發(fā)生什么事情。這會斷開到誤差放大器的反饋信號,導(dǎo)致控制器誤認為輸出電壓太低。據(jù)此,它將達到最大占空比,導(dǎo)致幾乎整個輸入電壓呈現(xiàn)在輸出。

 

　　圖3 非?？煽康姆歉綦x同步降壓轉(zhuǎn)換器,可以給出由于不同單點失效條件引起的持續(xù)輸出過壓

 

　　圖4 只檢測欠壓條件的典型的電壓監(jiān)控器(a)?？梢詸z測欠壓和過壓條件的窗口比較器(b)

　　其次,考慮MOSFETQ1短路失效。這將驅(qū)動開關(guān)節(jié)點變高態(tài)并力圖施加輸入電壓跨接在輸出。大多數(shù)控制器導(dǎo)通Q2,降低占空比或通過其內(nèi)部過壓檢測來響應(yīng)此條件。因此,大的電源電流將流經(jīng)兩個MOSFET。但是,若這是非常大功率的總線,其輸出可能是不確定的。最后,若控制器內(nèi)的基準(zhǔn)失效,這也可能使得輸出超出設(shè)定的設(shè)置點。

　　如同過溫保護一樣,在每個niPOL轉(zhuǎn)換器可增加更多電路防止導(dǎo)致輸出過壓的這些失效模式。為了響應(yīng)斷開反饋或基準(zhǔn)失效,可以用另一個基準(zhǔn)和比較器來監(jiān)控輸出信號,而且,在必要時可關(guān)斷控制器。為響應(yīng)短路MOSFET,可以用輸入斷開開關(guān)或帶SCR的線內(nèi)保險絲來中斷到轉(zhuǎn)換器的輸入電源。然而,這些電路對系統(tǒng)設(shè)計中的成本、尺寸和功耗有負面影響。再一次可用系統(tǒng)級方法來實現(xiàn)更好的方案。

　　如圖1所見,每個輸出已有一個電壓監(jiān)控電路。在大多數(shù)情況下,設(shè)計人員選擇市場上可得到的一個通用電壓監(jiān)控IC(如圖4a)。此時,被監(jiān)控的電壓與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓進行比較。一個單數(shù)字輸出確定監(jiān)控電壓是否低于或高于基準(zhǔn)電壓。例如,監(jiān)控1.8V電源將導(dǎo)致在達到1.71V或額定值的95%時,此信號變?yōu)橛行?。因為此電路僅給出一個信息(高于或低于閾值),所以它僅用來監(jiān)控輸出欠壓(UV#)。一個典型設(shè)計保持系統(tǒng)處在復(fù)位狀態(tài),除非所有電源電壓高于UV閾值。

　　增加一個比較器和一個電阻器,電路變成窗口比較器(圖4b )。窗口比較器不僅僅提供已有的UV#信號,而且也提供過壓(OV#)信號來檢測輸出電壓是否太高。多電源提供這種比較器,所以只需要增加一個電阻器。也可以用一個分離基準(zhǔn)和比較器實現(xiàn)OV#檢測。

　　與熱失效條件一樣,響應(yīng)輸出過壓的唯一合適的操作是關(guān)斷系統(tǒng)電源。因此,若OV#信號變?yōu)橛行?則電源管理電路立即閉鎖中間總線轉(zhuǎn)換器和認定失效狀態(tài)做為響應(yīng)。這也可以防止損耗半導(dǎo)體器件和其他負載,允許重新修復(fù)板。

　　OV#斷開電壓應(yīng)該設(shè)置得足夠高,以保證在啟動、負載增量或其他瞬態(tài)條件下不被認定為失效?？煞胖靡粋€小電容器與RC并聯(lián),來濾除任何噪聲或增加一個小的延遲。

　　此監(jiān)控電路與niPOL轉(zhuǎn)換器無關(guān),它具有自身的基準(zhǔn)。監(jiān)控電路放置在系統(tǒng)板上的方便位置,通?？拷髫撦d。由于輸出是數(shù)字的,所以很少關(guān)心返回到電源管理電路的噪聲耦合。若OV信號是集電極開路,則所有OV監(jiān)控器可以是二極管“或”在一起,來產(chǎn)生一個主OV信號到電源管理控制器,使設(shè)計復(fù)雜性最小。

　　電源系統(tǒng)設(shè)計人員必須保證當(dāng)它們放在一起時,總電源系統(tǒng)的工作如所希望的那樣。盡管很多失效造成非惡性的條件(如停止工作),但是,一些失效可能導(dǎo)致非常驚人的事件。只要有可能,就應(yīng)該避免失效條件下的集中熱和功耗。采用總是開通的輔助電源和已有的電源管理電路,用低成本、少元件和小的設(shè)計影響可以在系統(tǒng)級實現(xiàn)過壓和過溫保護。斷開高功率中間總線可去除使系統(tǒng)遭受重大損害的能量?！?益林)