袁 政，薛超耀，馬任月，盧 晶

(西安電子科技大學(xué)電路CAD研究所，陜西西安 710071)

DC/DC轉(zhuǎn)換器因其體積小、重量輕、效率高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用［1］。隨著單片集成技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)變換器在精度和性能上的要求不斷提高［2］。而DC/DC變換器作為系統(tǒng)內(nèi)部能量使用者和外部能量提供者的接口器件，其性能和可靠性直接關(guān)系到系統(tǒng)的安全［3］。作為功率處理器件，DC/DC變換器一直是系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)，其中過流和短路是實(shí)際工作中常見的兩種異常工作模式。當(dāng)DC/DC變換器工作在過流或短路狀態(tài)時(shí)，若不能及時(shí)正確處理，不僅會加速元件老化，甚至?xí)?dǎo)致DC/DC變換器自身損壞，使整個系統(tǒng)陷于癱瘓，嚴(yán)重時(shí)還會引起觸電、火災(zāi)等安全事故。因此，完善的短路保護(hù)［4］設(shè)計(jì)是高可靠DC/DC變換器的基本要求。

DC/DC變換器是一個負(fù)反饋系統(tǒng)，它通過輸出電壓VOUT進(jìn)行得到的采樣信號FB與基準(zhǔn)電壓VREF1進(jìn)行誤差信號，EA的輸出電壓COMP與通過電流采樣的電壓進(jìn)行比較輸出占空比可變的脈沖信號，來控制功率通道的導(dǎo)通時(shí)間，實(shí)現(xiàn)輸出穩(wěn)壓。當(dāng)VOUT較大時(shí)，通過減小占空比達(dá)到減小功率管MP的導(dǎo)通時(shí)間;反之，通過增大占空比達(dá)到增大功率管MP的導(dǎo)通時(shí)間。

圖1 DC/DC整體結(jié)構(gòu)框架圖

當(dāng)DC/DC變換器工作在短路狀態(tài)時(shí)，輸出電壓為零，輸出電壓的采樣電路無法正常工作，導(dǎo)致放大電路無法工作而使系統(tǒng)回路斷開，DC/DC變換器處于失控狀態(tài)［5-6］。對于峰值電流型控制，由于電流反饋環(huán)路的作用，保持電路工作在一個固定占空比，占空比的大小取決于EA輸出電壓的高嵌位電壓設(shè)計(jì)。但是，受電路中各種條件和因素的制約，難以將占空比控制到最小值達(dá)到降低短路時(shí)芯片的功耗。在輸出短路時(shí)，每個開關(guān)周期功率管導(dǎo)通阻抗在大電流時(shí)產(chǎn)生大量的熱，并全部消耗在DC/DC變換器內(nèi)部。若無短路保護(hù)措施，在短時(shí)間內(nèi)，輸入電流變大，使DC/DC變換器的電流環(huán)路也工作在過載狀態(tài)，會因芯片過熱而影響其壽命;嚴(yán)重時(shí)造成DC/DC變換器輸入損壞。短路保護(hù)的主要目的是降低短路時(shí)的功耗。理想的保護(hù)方式是在發(fā)生短路時(shí)關(guān)斷功率通路，使DC/DC變換器不再損耗能量，但在故障消失時(shí)自動恢復(fù)正常。評價(jià)短路保護(hù)的優(yōu)劣主要看短路時(shí)功耗的大小和短路釋放時(shí)能否及時(shí)恢復(fù)到正常的工作狀態(tài)。短路時(shí)電路的功耗越小，短路釋放時(shí)恢復(fù)到正常的工作狀態(tài)電路所需的時(shí)間越短，電路的可靠性越高。

1 傳統(tǒng)保護(hù)電路設(shè)計(jì)

由于過流和短路在原因和現(xiàn)象上的相似性，具備過流保護(hù)功能的電路也具備一定的短路保護(hù)功能。當(dāng)輸出電流過大時(shí)通常采用過載保護(hù)電路將輸出電流控制在某一最大值，確保電路不會因?yàn)檩敵鲭娏鬟^大而損壞芯片。

圖1中虛線中的電路為過流保護(hù)和短路保護(hù)放在一起的框架圖。當(dāng)輸出短接到地時(shí)，此時(shí)采樣電壓FB為0，誤差放大器不能正常工作，其輸出COMP端電壓為高電平，若沒有短路保護(hù)電路，系統(tǒng)則以大電流輸出，直至燒壞整個芯片。傳統(tǒng)保護(hù)電路如圖1所示，當(dāng)輸出短路時(shí)，通過電流采樣電路將輸出電感電流進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)化成采樣電壓Vsense，與基準(zhǔn)VREF2進(jìn)行比較，當(dāng)Vsense大于VREF2時(shí)，關(guān)斷功率管 MP。其Vsense與IL的關(guān)系

其中，AV為采樣放大器的的電壓增益。

當(dāng)Vsense＞VREF2，功率管關(guān)斷，電感電流開始下降，則有

電感電流的最大值ILmax表達(dá)式為

此時(shí)的電感電流較大，超過正常工作時(shí)的最大輸出電流，會因短路功耗大而縮短承受短路的時(shí)間，從而影響產(chǎn)品及系統(tǒng)的可靠性。因此，對過流和短路有針對性地分別設(shè)計(jì)保護(hù)電路，有利于提高產(chǎn)品的可靠性。

2 新型短路保護(hù)電路

圖2為新型含有短路保護(hù)電路的DC/DC變換器的整體框架圖。圖2中虛線部分的電路包含短路保護(hù)和過流保護(hù)兩種功能，該電路實(shí)現(xiàn)了將短路和過載兩種異常狀態(tài)分開處理。

圖2 含新型短路保護(hù)的DC/DC整體結(jié)構(gòu)框架圖

在工程應(yīng)用中，通常將輸出電壓小于設(shè)定輸出電壓的0.3倍視為電路處于短路狀態(tài)。在圖2中取VREF4=0.3VREF1，在電路正常軟啟動時(shí)，通過產(chǎn)生Softstart_OK信號使比較器COMP1不工作，此時(shí)電路正常啟動。當(dāng)電路檢測到輸出負(fù)載較大但不是短路狀態(tài)時(shí)，通過數(shù)據(jù)選擇器Data Selector將VREF2傳輸?shù)紺urrent_limit比較器的輸入端將電感電流限制在ILmax。當(dāng)電路檢測到輸出電壓低于正常輸出電壓的0.3倍時(shí)，即VFB＜VREF4，系統(tǒng)認(rèn)定為負(fù)載短路，此時(shí)啟動短路保護(hù)電路。當(dāng)VFB＜VREF4時(shí)，啟動計(jì)時(shí)器Timer，并迅速將Softstart復(fù)位，并通過數(shù)據(jù)選擇器Data Selector將VREF3傳輸?shù)紺urrent_limit比較器的輸入端將電感電流限制在一個微小的ILmax1。當(dāng)計(jì)時(shí)器達(dá)到一定時(shí)間后釋放Softstart并通過數(shù)據(jù)選擇器Data Selector將VREF2傳輸?shù)紺urrent limit比較器的輸入端將電感電流再次限制在ILmax，并同時(shí)Softstart輸出Softstart_OK信號使COMP1比較器不工作。當(dāng) Softstart完成后釋放 Softstart_OK使COMP1比較器不工作，若VFB＞VREF4，則電路恢復(fù)正常工作;反之，則繼續(xù)上述動作，直至電路恢復(fù)正常工作，否則一直重復(fù)上述動作。在短路時(shí)，Vsense與IL的關(guān)系不變。但是Current_limit比較器的輸入端基準(zhǔn)電壓變小為VREF3，則有

電感電流的最大值ILmax1表達(dá)式為

選擇合適的VREF3，即可有效降低短路時(shí)的輸出電流，進(jìn)而提高芯片工作效率，延長芯片使用周期，提高產(chǎn)品及系統(tǒng)的可靠性。

3 新型短路保護(hù)電路

圖3為短路檢測與控制邏輯電路，當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，啟動短路保護(hù)電路之后，并不再進(jìn)行短路檢測直到短路機(jī)制完成所有工作后才再次檢測。圖中左側(cè)虛線部分為鎖存電路，只要發(fā)生短路，及時(shí)鎖存當(dāng)前狀態(tài)，直到短路保護(hù)的所有動作完成之后釋放當(dāng)前狀態(tài)，再次檢測是否發(fā)生短路，若沒有發(fā)生就正常啟動電路，反之繼續(xù)啟動短路保護(hù)電路。鎖存檢測到短路狀態(tài)之后保持當(dāng)前 狀態(tài)，并不讓電路反復(fù)檢測，以免電路無法再次啟動。

圖3 短路檢測和邏輯控制電路圖

當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，VFB＞VREF4，此時(shí)電路不會進(jìn)入短路保護(hù)狀態(tài)，并且 Timer_OK信號為低電平，Softstart_OK為高電平，則Reset信號為低電平，Timer_Reset信號為高電平，此時(shí)Timer_Reset信號對計(jì)時(shí)器進(jìn)行清零處理，直到下次計(jì)時(shí)器工作時(shí)，重新計(jì)時(shí)并且數(shù)據(jù)選擇器將VREF2連接到Current_limit的輸入端以獲得較大的電流限電流。

在系統(tǒng)發(fā)生短路瞬間，VFB＞VREF4變?yōu)閂FB＜VREF4，COMP1比較器輸出從高電平跳為低電平，脈沖發(fā)生電路迅速產(chǎn)生高電平脈沖使Timer_Reset信號為低電平，Reset信號為高電平，對 Softstart進(jìn)行清零處理，Softstart_OK變?yōu)榈碗娖?，直到下一次Softstart電路工作時(shí)重新計(jì)時(shí)Timer_Reset信號為低電平，并且由于Reset信號為高電平和Softstart_OK變?yōu)榈碗娖?，DIFF觸發(fā)器會從QB端輸出高電平，達(dá)到屏蔽比較器輸出的效果以避免無限重復(fù)觸發(fā)短路保護(hù)電路。此時(shí)Timer_OK信號變?yōu)楦唠娖剑i存當(dāng)前狀態(tài)并將VREF2連接到Current_limit比較器的輸入端以確保發(fā)生短路時(shí)沒有較小的限電流流過電感。由于Timer_Reset信號為低電平，計(jì)時(shí)器Timer開始工作。當(dāng)Timer計(jì)時(shí)結(jié)束，Timer_OK信號為低電平，并且此時(shí)脈沖發(fā)生電路的輸出為低電平，則Timer_Reset信號為高電平，及時(shí)對Timer進(jìn)行清零處理，等待下一次計(jì)時(shí)，同時(shí)Reset信號為低電平，Softstart電路開始工作，電路正常工作。當(dāng)Softstart電路輸出Softstart_OK為高電平時(shí)鎖存電路的輸出端QB變?yōu)榈碗娖剑藭r(shí)再次VFB比較VREF4的大小，若VFB＞VREF4，電路恢復(fù)正常工作，反之再次進(jìn)入短路保護(hù)狀態(tài)，重復(fù)上述動作，直至檢測到VFB＞VREF4，電路恢復(fù)正常工作。

4 仿真結(jié)果分析

圖4為一款輸入電壓為12 V，輸出電壓為5 V，正常工作時(shí)負(fù)載電流為2 A的DC/DC芯片的測試波形圖，圖中波形為負(fù)載處于短路狀態(tài)時(shí)的電感電流IL的波形圖。從圖中可以看出，短路時(shí)電流會達(dá)到6 A，但在加入短路保護(hù)后短路電流會降低到幾十mA。

圖4 DC/DC芯片的測試波形圖

5 結(jié)束語

該電路已成功應(yīng)用于一款高壓同步DC/DC轉(zhuǎn)換器類芯片，目前該芯片已經(jīng)投入生產(chǎn)。在原有的限流電路的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一款新穎的短路保護(hù)電路，大幅減小了芯片在發(fā)生短路時(shí)的輸入電流，降低了短路時(shí)的功耗，有效延長了芯片的使用壽命，并具備短路狀態(tài)結(jié)束后自啟動的功能，在眾多高科技產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用，如藍(lán)牙耳機(jī)，筆記本電腦等［5-6］。

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