AOT架構Buck變換器中保護電路的研究與設計

白璐　黃曉燕　王正之

摘要：近年來，手機、平板電腦等電子產品性能的不斷提升，它們對電源管理芯片在輸出電壓、功耗、安全性等諸多方面提出了更高的要求。在眾多的電源管理芯片中，AOT（自適應導通時間）架構的Buck變換器以其簡潔穩定的控制環路、快速的瞬態響應和相對穩定的工作頻率成為了降壓型電源管理芯片中的主流類型。對于電源管理芯片保證其工作安全性至關重要。在所有電源管理芯片的故障中，過流、過溫是最主要的兩種情況，可直接導致芯片被燒毀。為此，本文主要對AOT架構的Buck變換器中的過流保護電路和過溫保護電路進行了研究。

關鍵詞：AOT架構;Buck變換器;保護電路

中圖分類號：TN86 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）03-0177-01

1 Buck變換器的過流保護電路

1.1 恒定輸出功率型

恒定輸出功率型限流方式在輸出電流達到限流閾值后，將維持輸出功率不變，因此在降低輸出電壓的同時，輸出電流還會繼續増大超過限流閾值。這種過流保護方式雖然能一定程度上抑制輸出電流過快増大，但是對芯片的保護效果有限。

1.2 恒定輸出電流型

恒定輸出電流型是在輸出電流達到限流閾值時使輸出電流恒定不變，為了達到送個目的，就必須隨之降低輸出電壓。這種保護方式具有很快的瞬態響應速度，一旦過流故障解除，輸出電流能迅速恢復正常;但是它的弊端也很明顯，由于輸出電流一直處于限流閾值，過流時間長的話過大的輸出電流仍然會使芯片發熱。

1.3 降低輸出電流型

降低輸出電流型限流方式則會在輸出電流達到限流閥值后降低輸出電流，同時也降低輸出電壓，送種限流方式可以最大程度地降低過流時的功耗并避免芯片因過熱造成的使用壽命損耗，但是它的最大問題是瞬態響應速度較慢，過流故障排除后需要較長時間輸出電流才能恢復正常。三種過流保護方式見圖1，上三種過流保護方式都有各自的局限性，本文設計的電源管理芯片過流保護電路將采用恒定輸出電流與降低輸出電流相結合的方式。在剛剛出現過流情況時采用恒定輸出電流的方式把輸出電流限制在固定值，如果過流故障持續達到一定時間，則改為降低輸出電流（具體形式為打嗝模式），避免芯片發熱造成損壞。

隨著電力電子技術的不斷發展，開關電源因具有體積小、響應速度快、效率高等優點，被廣泛應用于各類便攜式電子設備中。功率MOS管（簡稱功率管）是開關電源的重要組成部分。隨著半導體工藝的不斷進步，功率管的導通電阻越來越小，開關頻率越來越快，功耗越來越低。但是，功率管無法承受過大的電流。為解決這個問題，在開關電源中增加了過流保護電路，以避免輸出短路或負載電流過大時對功率管造成永久性損壞。過流保護電路必須具有較快的響應速度，并且不受電源電壓和溫度的影響。當功率管發生過流時，過流保護電路要及時地將過流信號反饋給系統的控制電路，以關斷功率管或者直接關閉整個系統。

一般情況下，過流保護電路的電流采樣方法有兩種：一是利用外部電阻采樣，二是利用功率管的導通電阻采樣。第一種方法的采樣值更準確，但采樣電阻要消耗額外的功耗。第二種方法的采樣結構更簡單，節約了功耗，但采樣值隨電源電壓和溫度的變化較大。

2 BUCK變換器中過溫保護電路的設計

在集成電路的設計中，尤其是在電源管理芯片PMU（Power Management Unit）等功耗較大的芯片中，如果發生短路等情況造成功耗過大，芯片的溫度將迅速上升，因此過溫保護電路的設計對于保障芯片的安全工作非常重要。當前，集成電路中的過溫保護電路普遍采用雙極型晶體管的基射電壓Vbe隨溫度的變化進行測溫，但是這要求采用BICMOS工藝或BCD工藝等能直接在集成電路中制造雙極型晶體管的工藝，否則如果采用標準CMOS工藝，就只能利用寄生H極管效應制作縱向BJT（CVBT）或橫向BJT（CLBT），它們會有集電極和芯片襯底短接和載流子遷移率不均勻等一系列問題，限制了雙極型晶體管用作測溫元件的使用范圍。[1]

為了避免該問題，本文的設計采用工作在亞閾值區的MOS管代替雙極型晶體管作為感溫元件，這使得該過溫保護電路在標準CMOS工藝下即可制造，兼容性更好;另一方面，工作在亞閾值區的MOS管靜態電流非常小，降低了電路的功耗;配合低壓寬擺幅的共源共柵電流鏡，該電路在1.5-7V的電源電壓范圍內都能正常工作，特別符合現在集成電路低壓低功耗的發展趨勢。[2]

原理如圖2所示。首先，電路使用三極管的基射電壓來檢測溫度變化，功耗較大;而且在不同電源電壓下，A點和B點的電壓會發生顯著的變化，所以M1和M2管的溝道長度調制效應會使電流源的電流隨電源電壓產生很大變化，因此在不同電源電壓下的過溫點會相差很大，嚴重影響過溫保護的效果[3];另外，由于溫度升高和降低過程中過溫保護輸出的跳變點是相同的溫度，所以在過溫保護后溫度稍有降低，電路又會重新工作，然后再發生過溫保護，從而產生熱振蕩，這也是需要避免的。

電源管理芯片在電子產品中的重要性日益提高，其安全性收到越來越多的重視。AOT架構的BUCK變換器作為當前比較主流的一類電源管理芯片，其保護電路的設計顯得尤為重要。本文針對目前AOT架構BUCK變換器的保護電路設計中的不足，對其中的過流保護電路和過溫保護電路做了較為深入的研究。

參考文獻

[1] 胡浩.四開關Buck-Boost數字電源模塊的設計[D].哈爾濱工業大學，2016.

[2] 范建功.AOT架構開關電源中定時器電路的研究與設計[D].西南交通大學，2016.

[3] 楊異迪.Buck變換器電容電流滯環控制方法研究[D].重慶大學，2016.

Research and Design of Protection Circuit in AOT Buck Converter

BAI Lu，HUANG Xiao-yan，WANG Zheng-zhi

（Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute，Shanghai? 201109）

Abstract：The performance of electronic devices such as cellphones and tablet gets continuous improvements， it needs higher requirements of PMUs power consumption，reliability and safety. In all kind of PMUs，Buck converter with AOT （Adaptive On-Time） architecture is becoming the mainstream type in step-down power management ICs，it has great advantage in simple and stable control loop， fast transient response and relatively stable operating frequency. Safety is becoming the most important indicator of PMUs. In the failure of all power management chips， overcurrent and overtemperature are the two most usual situations， which may directly cause the PMU failure. To this end， this paper mainly studies the overcurrent protection circuit and overtemperature protection circuit in the AOT architecture Buck converter.

Key words：AOT structure;Buck converter;protection circuit