電路保護巧設計：使用比較器實現欠壓／過壓閉鎖設計

本文詳細探討如何使用比較器來實現電路保護中的欠壓／過壓閉鎖，并利用電阻分壓器調整電源欠壓和過壓閉鎖閾值，同時透過導入遲滯設計來提高整個電路抗噪聲能力。

在電子設備的實際應用中，可能會遇到輸入電壓不穩的情況。例如使用電池的可攜式設備應用，輸入電壓Vin可能很難保持非常穩定。為了防止電壓過低或過高影響后續電路，有時有必要增加欠壓／過壓閉鎖設計。

欠壓閉鎖（UVLO）／過壓閉鎖（OVLO）兩個概念的定義如下：

? 欠壓閉鎖（UVLO）：輸入電壓達到某一閾值，后續電路導通，可防止下游電子系統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，后續電路斷開，可保護系統免受極高電源電壓的影響。

本文探討如何使用比較器來實現欠壓／過壓閉鎖，并利用電阻分壓器調整電源欠壓和過壓閉鎖閾值，同時透過導入遲滯設計來提高整個電路抗噪聲能力。

欠壓閉鎖（UVLO）電路設計
如圖1所示，為了實現欠壓閉鎖（UVLO）電路設計，我們需要：

? 一個比較器

? 一個基準電源VT

? 一個功率開關（比如MOS晶體管）

? 分壓電阻，用來調節閾值

?



 
圖1 : 電阻分壓設計中的欠壓閉鎖電路（source：ADI）

當輸入電壓從0 V開始上升到UVLO閾值電壓之前，功率開關保持斷開狀態；超過UVLO閾值電壓，功率開關導通，整個電路正常工作。

欠壓閉鎖（UVLO）+ 過壓閉鎖（OVLO）電路設計
與使用兩個電阻串聯相比，三個電阻串聯可設置欠壓和過壓閉鎖閾值。



 
圖2 : 欠壓閉鎖（UVLO） + 過壓閉鎖（OVLO）電路設計（source：ADI）

如圖2所示，兩個比較器輸出連接到邏輯與門，邏輯與門再連接功率開關。

當輸入電壓從0V到UVLO閾值電壓，電路斷開；從UVLO閾值電壓到OVLO閾值電壓，電路導通；超過OVLO閾值電壓，電路斷開。

■ 功率開關的選擇：N溝道MOS晶體管 vs. P溝道MOS晶體管
在欠壓／過壓閉鎖設計中，功率開關可以使用N溝道或P溝道MOS晶體管來實現。

使用N溝道MOS晶體管做為功率開關時，會有一個小問題，如圖3所示：



 
圖3 : 使用N溝道MOS晶體管，做為欠壓閉鎖電路功率開關（source：ADI）

當柵極（G）電壓為低電壓（例如：0 V）時斷開（高電阻）。當柵極（G）電壓為高電壓時導通，為了完全導通（低電阻）N溝道MOS晶體管，柵極（G）電壓必須比源極電壓（S）高出MOS晶體管閾值電壓。而導通時，MOS晶體管源極（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晶體管閾值電壓。因此，這需要使用電荷泵來解決這個問題。

當然，使用一些專用的欠壓／過壓保護芯片—例如LTC4365、LTC4367和LTC4368整合了比較器和電荷泵。可驅動N溝道MOSFET，同時靜態功率消耗較低。

P溝道MOSFET不需要使用電荷泵，但閘極電壓極性相反；亦即低電壓時開關導通，而高電壓時斷開P溝道MOS晶體管。

帶有遲滯功能的欠壓閉鎖電路／欠壓閉鎖電路
對于上述應用，如果輸入電壓上升緩慢并且有噪聲，或者在電池的應用場景中，電池本身的內阻導致電壓隨著負載電流變大而下降，比較器輸入電壓可能會在閾值電壓附近波動。

為了避免這種類型的波動導致電路的反復振蕩，需要導入遲滯來避免這種振蕩。比如使用有磁滯的比較器，或者加一些被動組件來實現磁滯功能，進而提高比較器抗噪聲能力。

如圖4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電阻（RH），來實現延遲。



 
圖4 : 帶有遲滯功能的欠壓閉鎖電路（source：ADI）

舉個直觀的例子，假設VT=1V,RT=10 × RB：

? 不加RH時，則上升和下降閾值為11 V。

? 增加RH= 100 × RB，則上升輸入閾值為11.1V，下降閾值為10.09V；亦即遲滯為1.01V。注意該方法對OVLO無效。

如果過壓OVLO需要帶有遲滯功能，該如何實現呢？增加遲滯的另一個方法是，可以加一個開關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（source：ADI）

如圖5：當VIN高于閾值之后，比較器低電平輸出，斷開M1，進而使RH與整個電路斷開

該方法在欠壓閉鎖電路和過壓閉鎖電路中均可使用。

■ 帶磁滯功能的比較器
要實現磁滯功能，一種簡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。


 
圖6 : 在Digi-Key網站中搜索帶磁滯功能比較器

這模擬較器會針對上升輸入（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系（source：ADI LTC1042CN8#PBF數據手冊）

結論
依據比較器的相同控制電路，利用電阻分壓器，可以輕松實現欠壓和過壓電路設計。面對電源噪聲，可以使用帶有遲滯功能的比較器，也可以調節回饋來實現遲滯功能，以防止電源超過閾值時出現電源開關打開和關閉顫振。

（本文由Digi-Key Electronics提供；作者Alan Yang任職于得捷電子Digi-Key）