具有可靠過流保護功能的電源通路控制方案

黃金燦

摘 要：本文設計了一種可靠過流保護設計方案。設計方案重構了開關電路的設計，以及保護電路的設計，此方案具有自動識別非異常沖擊電流自動恢復和異常鎖死保護的特點。此方案可使用常見通用的電阻選擇實現流保護閾值的精確設置，實現無需升壓電路的過流保護電路，實現可以判斷當前通路狀態后再產生自恢復的過流保護電路。設計方案中避免了復雜的基準參考電源、升壓電路、脈沖發生器的應用，精簡復雜器件，同時方案更為可靠。

關鍵詞：過流保護 死鎖 自恢復

中圖分類號：TM771 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）05（a）-0023-04

當前電子通信設備對設備的可靠性和使用性要求越來越高。而當前許多電子通信設備往往由許多單板模塊組成，并且要求單板模塊支持熱拔插；單板模塊的熱拔插過程中往往會產生大的沖擊電流，從而導致單板供電過流保護，因此單板的供電電路控制就要求具備過沖擊電流保護設計，以保證單板熱拔插的可靠。

1 主要設計方案及缺點

當前主要有以下兩種方案。

（1）過流保護死鎖設計。

現有的過流保護死鎖設計，原理如圖1所示。

如圖1所示，00-輸入電源和07-負載之間串接有01-半導體開關和02-取樣電阻。取樣電阻兩端的電壓和流過負載的電流成正比。隨著流入負載電流的增大，取樣電阻兩端的電壓增大。03-比較器將取樣電阻兩端的電壓與基準參考源進行比較，當取樣電阻兩端的電壓大于基準參考源時，比較器輸出鎖存信號，05-鎖存電路鎖存這個狀態，使半導體開關關斷。輸入電源和負載斷開，產生了過流保護功能。06-升壓電路的作用是生成高于00-輸入電源電壓的電壓，用于使01-半導體開關可以導通。

（2）自恢復過流保護設計。

自恢復過流保護設計方案與過流保護死鎖設計方案相似，只是將其中的鎖存電路改為脈沖生成電路。比較器輸出反向邏輯時，觸發脈沖生成電路產生一個一定時間寬度的脈沖，此確定時間寬度脈沖使半導體開關在脈沖延續的時間內關斷；當定時脈沖消失后，半導體開關又恢復開啟。

兩種過流保設計技術方案存在如下缺點。

（1）取樣電阻上會消耗一定的功率，消耗功率的大小正比于取樣電阻的大小。為了減少這部分不必要的消耗功率，取樣電阻取值需要盡量小。一般取1～10mΩ。電阻阻值的精度一般只能控制在毫歐姆級別，因此可設定的取樣精度和范圍有限。

（2）一般過流保護電路為了保證上電啟動時開關是斷開的，大多采用N溝道增強型MOSFET，就必須增加升壓電荷泵，才能保證N溝道MOSFET可以導通。電荷泵電路往往設計復雜，并且會產生開關噪聲，從而影響過流保護電路的正常工作。

（3）過流保護死鎖設計和自恢復過流保護設計均存在一定的局限性。過流保護死鎖設計在一些場合中無法應用，如熱插拔設計中，往往熱插拔過程中會產生一定的沖擊電流，但這種沖擊電流一般維持時間很短，這種情況下需要能自恢復。而當電路出現異常，如短路，導致過流時，這種情況的過流設計應該產生死鎖，以更好的保護負載，這種情況下自恢復過流保護設計無法用。

2 主要設計方案

本文提出了一種客服上述方案的新方案，原理框圖如圖3所示。

方案說明，如圖3實現方案所示。

00-輸入電源、01-半導體開關以及12-負載、13-地構成了基本的電流通路。半導體開關可以使輸入電源與負載相互連接，也可以隔開輸入電源和負載。即半導體開關可以使電流通路導通也可使電流通路斷開。

在半導體開關和負載的通路上串接了過流保護控制輸出電路和異常死鎖保護輸出電路。同時在半導體開關輸出端并聯了14-瞬態高壓抑制電路，在負載輸入端并聯了09-過載旁路電路。

過流保護控制輸出電路由03-取樣電阻、04-噪聲抑制電路、05-差分放大電路和06-保護決策電路串接而成。異常死鎖保護電路由07-異常檢測電感，08-異常鎖存器串接而成。瞬態高壓抑制電路由14-瞬態高壓抑制二極管反向接地而成，這種二級管具有抑制高電壓脈沖的作用，又同時作為過載旁路回路通路的一個組成部分。09-過載旁路電路一般可由晶體三極管組成，讓晶體管工作于開關狀態，當開關管工作于導通狀態時，負載過載旁路電路有極小的對地阻抗，可以是原本流向負載的電流流向過載旁路電路，從而更好地保護負載。

在取樣電阻并聯一個04-噪聲抑制器電路，以抑制線路噪聲，消除外部干擾，使過流保護電路可以更精確工作。無源噪聲抑制器有無源器件組成。包括共模噪聲抑制器和差模噪聲抑制器。

將經過噪聲抑制后的取樣差模電壓輸入到具有高共模抑制比的05-差分放大電路進行信號放大，使放大的取樣電壓的取值在一個確定的范圍內。差分放大器輸出放大的取樣電壓輸入06-保護決策電路，當05-差分電路輸出電壓超過06-保護決策電路設置的保護閾值時，保護決策電路輸出高控制電平；當05-差分電路輸出電壓低于06-保護決策電路設置的恢復閾值時，保護閾值設置電路輸出低控制電平。

其中，保護決策電路的實現方式如圖4所示。

圖4保護決策電路由R6、R7，反相器U3A，U4A組成。反相器U3A，U4A組成一般選取CMOS工藝的器件，其輸入有效的閾值電壓為供電電源的一半。假設輸入的電壓（05-差分放大器的輸出電壓）為VI，則：

當VI=VDD×（R6+R7）/2R7=VDD/2×（（1+R6/R7）時，反相器U3A，U4A產生翻轉，保護決策電路輸出高電平控制信號。

當VI=VDD/2×（1-R6/R7）時，反相器U3A，U4A再次產生翻轉，變回原來的值，保護決策電路輸出低電平控制信號。

從上面可以看出只要固定取樣電阻的大小和差分放大器的放大倍數，以及供電電源（一般直接采用輸入電源輸入），通過調節電阻R6和R7即可實現保護閾值和恢復閾值的設置。一般R6和R7取值可以取1～10kΩ之間，這種規格的電阻是電子電路設計很容易獲取的器件，其精度控制也是容易實現的，因此可以設置比較理想的保護閾值控制。通過電阻R6/R7進行保護閾值控制設置，可以實現更為可靠精確的設置。例如：選取03-取樣電阻、04-噪聲抑制電路、05-差分放大電路的參數，使05-差分電路輸出VDD/2 時對應的通路電流為5.0A。只要選取電阻R6等于1.5kΩ，電阻R7=2.5kΩ，即可實現8.0A過流保護閾值設置；選取電阻R6等于1kΩ，電阻R7等于2kΩ，即可實現7.5A過流保護閾值設置。上述的各種過流保護技術要實現7.5A過流保護閾值設置不必須選取取樣電阻精度控制到0.1mΩ的電阻，當前工藝和應用中無法保證這個精度。

異常死鎖保護電路由07-檢測電感檢測通路上的變化情況，當通路上產生大的電流瞬間突變時，表示電路上出現異常。根據法拉第電磁感應定律，電感兩端會產生較大的感應電動勢，即電感兩端會產生比較大的電壓，當這個電壓超過預先設定的異常閾值時，08-異常鎖存器會輸出高控制電平，并鎖存器這個狀態。

具體電路如圖5所示。

電路由檢測電感L1，差分放大器U1以及或非門U1A、U2A構成的鎖存器串接組成，其中電阻R4、R5起給或非門U1A、U2A初始化的作用。異常檢測電感檢測通路上的電流變化情況，當通路上出現異常，流經異常檢測電感L1的電流會產生較大的瞬間突變。根據法拉第電磁感應定律，流經電感的電流會產生瞬間突變會使電感兩端會產生感應電動勢，即電感兩端會產生比較大的電壓，感應電動勢的大小與單位時間內流過電感的電流變化大小成正比。這個電壓輸入到差分放大器進行放大。U1A、U2A也是選取CMOS工藝器件，則其輸入有效的閾值電壓為供電電源的一半。當差分電路輸出電壓達到U1A產生翻轉，導致U2A產生翻轉，而U2A的輸出又反饋回U1A，這樣將這個狀態得以鎖存。只要正確設定差分放大器的放大倍數，即可設定產生鎖存的電感兩端的電壓大小，而電感兩端產生的電壓大小取決于通路電流的變化快慢。當電流通路短路異常時，電流將發生較大的突變，此時電感兩端產生較大的壓差，使U2A輸出保護鎖存邏輯。

14-瞬態高壓抑制二極管，03-取樣電阻，07-異常檢測電感和09-負載過載旁路電路組成過流保護或異常時的電流通路回路，將負載的電流通路完全阻斷，同時泄放負載上的殘留能量，如圖6所示。

如圖6所示，當通路產生異常時，過載旁路控制信號會使過載旁路電路導通到地，則此時瞬態高壓抑制二極管，取樣電阻，異常檢測電感和過載旁路電路組成電流通路回路，將本來要流向負載的電流通過過載旁路電阻導通到地，起到保護負載的作用。同時此電路還起到作為過流保護自恢復延時控制的作用。這個電路中，所有電能量都存儲在電感中，電感的能量通過通路釋放，表現為通路中電流由大到小的變化。變化的快慢取決于電感的取值。取樣電路兩端的電壓會隨著通路中電流由大到小的變化產生由大到小的變化，到小到一定程度，將促使過流保護控制輸出電路恢復。此電路保證產生過流保護后再自恢復能有一段足夠長的延遲時間，而這段延遲不再是固定的延時，而是保證通路電流降到足夠小后才能恢復。延遲的時間取決于產生過流保護時的電流大小、設定的下限恢復閾值以及通路電流泄放速度。這個電路使所設計的過流保護控制輸出電路不需要使用復雜的脈沖發生電路。

過流保護控制輸出電路和異常死鎖保護電路產生的控制電平。通過11-或門相或后用于得到半導體開關控制信號，用于控制01-半導體開關的導通或關斷，同時用于控制過載旁路電路的開啟或關閉。或門的用處是保證過流保護控制輸出電路和異常死鎖保護電路兩個中任何一個產生保護輸出都會能控制半導體開關關閉。

10-啟動阻尼電路有兩個作用：一是保證輸入電源上電后半導體開關等待一定時間后再開啟，避免輸入電源剛上電會產生波動；二是保證半導體開關在輸入電源上電時開關不是立即導通產生沖擊電流；而是由小到大慢慢導通，使通路電流由小到大慢慢增大。由于引入的啟動阻尼電路，避免了升壓供電電路的使用。

啟動阻尼電路如科圖7所示。

如圖7所示，其中Q1是P溝道MOSFET半導體開關，電容C5和電阻R2串接在Q1的輸入極和控制極之間，電阻R3接在Q1的控制極和地之間。當電源Vi上電后，由于C5兩端電壓不能突變，因此，Q1柵極電壓也被瞬間充電到Vi，此后這個電壓慢慢通過容C5和電阻R2、R3緩慢釋放，使P溝道MOSFET半導體開關Q1慢慢開啟，而不是迅速打開。此電路克服了復雜升壓電路的使用，同時克服了升壓電路帶來的影響。

3 方案的具體實施

模塊1：如圖8所示，虛線框所標注模塊1。由取樣電阻R1，噪聲抑制電路共模抑制比差分放大電路好保護閾值設置電路串接而成。其中R1取樣電阻取恒定的值。

電容C1、C2組成共模噪聲抑制器，電容C3、C4和鐵磁氧體L2組成差模噪聲抑制器。

R1取樣電阻取出的取樣電壓經噪聲抑制器消除差模和共模噪聲后輸入到高共模抑制比差分放大器進行放大后，輸入保護決策電路。

保護決策電路由電阻R6、R7，反相器U3A，U4A組成。

模塊2：如圖8所示，虛線框所標注模塊2，由異常檢測電感L2，異常鎖存器串接而成。異常鎖存電路又由差分放大電路U1以及或非門U1A，U2A構成的鎖存器組成。

模塊3：模塊3是瞬態高壓抑制D1組成，這種二級管具有抑制高電壓脈沖的作用，又可以做過載旁路回路通路的作用。

模塊4：其是負載過載旁路電路，一般可由晶體三極管Q2、電阻R9和電阻R10組成，讓晶體管工作于開關導通和截止兩種狀態，當開關管工作于導通狀態時，整個通路由極小的對地阻抗，可以產生過載旁路作用。

模塊5：啟動阻尼電路。啟動阻尼電路由P溝道MOSFET Q1，電容C5和電阻R2、電阻R3組成。保證電源上電后能有一定的時間保持穩定，同時保證半導體開關管慢慢開啟，而不是迅速打開，這種無需復雜的升壓電路。

4 結語

本文設計了一種可靠過流保護功能的電源通路控制方案。此方案具有可以產生自動恢復又可以產生異常死鎖的特點，通過過常見通用的電阻選擇實現流保護閾值的精確設置，實現無需升壓電路的過流保護電路，實現可以判斷當前通路狀態后再產生自恢復的過流保護電路。設計方案中避免了復雜的基準參考電源、升壓電路、脈沖發生器的應用，節省成本。同時設計方案使電子電路的過流保護控制更為方便更有效。

參考文獻

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