黃金燦

摘 要：本文設(shè)計了一種可靠過流保護(hù)設(shè)計方案。設(shè)計方案重構(gòu)了開關(guān)電路的設(shè)計，以及保護(hù)電路的設(shè)計，此方案具有自動識別非異常沖擊電流自動恢復(fù)和異常鎖死保護(hù)的特點。此方案可使用常見通用的電阻選擇實現(xiàn)流保護(hù)閾值的精確設(shè)置，實現(xiàn)無需升壓電路的過流保護(hù)電路，實現(xiàn)可以判斷當(dāng)前通路狀態(tài)后再產(chǎn)生自恢復(fù)的過流保護(hù)電路。設(shè)計方案中避免了復(fù)雜的基準(zhǔn)參考電源、升壓電路、脈沖發(fā)生器的應(yīng)用，精簡復(fù)雜器件，同時方案更為可靠。

關(guān)鍵詞：過流保護(hù) 死鎖 自恢復(fù)

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

當(dāng)前電子通信設(shè)備對設(shè)備的可靠性和使用性要求越來越高。而當(dāng)前許多電子通信設(shè)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(chǎn)生大的沖擊電流，從而導(dǎo)致單板供電過流保護(hù)，因此單板的供電電路控制就要求具備過沖擊電流保護(hù)設(shè)計，以保證單板熱拔插的可靠。

1 主要設(shè)計方案及缺點

當(dāng)前主要有以下兩種方案。

（1）過流保護(hù)死鎖設(shè)計。

現(xiàn)有的過流保護(hù)死鎖設(shè)計，原理如圖1所示。

如圖1所示，00-輸入電源和07-負(fù)載之間串接有01-半導(dǎo)體開關(guān)和02-取樣電阻。取樣電阻兩端的電壓和流過負(fù)載的電流成正比。隨著流入負(fù)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(zhǔn)參考源進(jìn)行比較，當(dāng)取樣電阻兩端的電壓大于基準(zhǔn)參考源時，比較器輸出鎖存信號，05-鎖存電路鎖存這個狀態(tài)，使半導(dǎo)體開關(guān)關(guān)斷。輸入電源和負(fù)載斷開，產(chǎn)生了過流保護(hù)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(dǎo)體開關(guān)可以導(dǎo)通。

（2）自恢復(fù)過流保護(hù)設(shè)計。

自恢復(fù)過流保護(hù)設(shè)計方案與過流保護(hù)死鎖設(shè)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(fā)脈沖生成電路產(chǎn)生一個一定時間寬度的脈沖，此確定時間寬度脈沖使半導(dǎo)體開關(guān)在脈沖延續(xù)的時間內(nèi)關(guān)斷；當(dāng)定時脈沖消失后，半導(dǎo)體開關(guān)又恢復(fù)開啟。

兩種過流保設(shè)計技術(shù)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(shè)定的取樣精度和范圍有限。

（2）一般過流保護(hù)電路為了保證上電啟動時開關(guān)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(dǎo)通。電荷泵電路往往設(shè)計復(fù)雜，并且會產(chǎn)生開關(guān)噪聲，從而影響過流保護(hù)電路的正常工作。

（3）過流保護(hù)死鎖設(shè)計和自恢復(fù)過流保護(hù)設(shè)計均存在一定的局限性。過流保護(hù)死鎖設(shè)計在一些場合中無法應(yīng)用，如熱插拔設(shè)計中，往往熱插拔過程中會產(chǎn)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(fù)。而當(dāng)電路出現(xiàn)異常，如短路，導(dǎo)致過流時，這種情況的過流設(shè)計應(yīng)該產(chǎn)生死鎖，以更好的保護(hù)負(fù)載，這種情況下自恢復(fù)過流保護(hù)設(shè)計無法用。

2 主要設(shè)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(xiàn)方案所示。

00-輸入電源、01-半導(dǎo)體開關(guān)以及12-負(fù)載、13-地構(gòu)成了基本的電流通路。半導(dǎo)體開關(guān)可以使輸入電源與負(fù)載相互連接，也可以隔開輸入電源和負(fù)載。即半導(dǎo)體開關(guān)可以使電流通路導(dǎo)通也可使電流通路斷開。

在半導(dǎo)體開關(guān)和負(fù)載的通路上串接了過流保護(hù)控制輸出電路和異常死鎖保護(hù)輸出電路。同時在半導(dǎo)體開關(guān)輸出端并聯(lián)了14-瞬態(tài)高壓抑制電路，在負(fù)載輸入端并聯(lián)了09-過載旁路電路。

過流保護(hù)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(hù)決策電路串接而成。異常死鎖保護(hù)電路由07-異常檢測電感，08-異常鎖存器串接而成。瞬態(tài)高壓抑制電路由14-瞬態(tài)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(guān)狀態(tài)，當(dāng)開關(guān)管工作于導(dǎo)通狀態(tài)時，負(fù)載過載旁路電路有極小的對地阻抗，可以是原本流向負(fù)載的電流流向過載旁路電路，從而更好地保護(hù)負(fù)載。

在取樣電阻并聯(lián)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(hù)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(jīng)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(jìn)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(nèi)。差分放大器輸出放大的取樣電壓輸入06-保護(hù)決策電路，當(dāng)05-差分電路輸出電壓超過06-保護(hù)決策電路設(shè)置的保護(hù)閾值時，保護(hù)決策電路輸出高控制電平；當(dāng)05-差分電路輸出電壓低于06-保護(hù)決策電路設(shè)置的恢復(fù)閾值時，保護(hù)閾值設(shè)置電路輸出低控制電平。

其中，保護(hù)決策電路的實現(xiàn)方式如圖4所示。

圖4保護(hù)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(shè)輸入的電壓（05-差分放大器的輸出電壓）為VI，則：

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

當(dāng)VI=VDD/2×（1-R6/R7）時，反相器U3A，U4A再次產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)，變回原來的值，保護(hù)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(shù)，以及供電電源（一般直接采用輸入電源輸入），通過調(diào)節(jié)電阻R6和R7即可實現(xiàn)保護(hù)閾值和恢復(fù)閾值的設(shè)置。一般R6和R7取值可以取1～10kΩ之間，這種規(guī)格的電阻是電子電路設(shè)計很容易獲取的器件，其精度控制也是容易實現(xiàn)的，因此可以設(shè)置比較理想的保護(hù)閾值控制。通過電阻R6/R7進(jìn)行保護(hù)閾值控制設(shè)置，可以實現(xiàn)更為可靠精確的設(shè)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(shù)，使05-差分電路輸出VDD/2 時對應(yīng)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(xiàn)8.0A過流保護(hù)閾值設(shè)置；選取電阻R6等于1kΩ，電阻R7等于2kΩ，即可實現(xiàn)7.5A過流保護(hù)閾值設(shè)置。上述的各種過流保護(hù)技術(shù)要實現(xiàn)7.5A過流保護(hù)閾值設(shè)置不必須選取取樣電阻精度控制到0.1mΩ的電阻，當(dāng)前工藝和應(yīng)用中無法保證這個精度。

異常死鎖保護(hù)電路由07-檢測電感檢測通路上的變化情況，當(dāng)通路上產(chǎn)生大的電流瞬間突變時，表示電路上出現(xiàn)異常。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，電感兩端會產(chǎn)生較大的感應(yīng)電動勢，即電感兩端會產(chǎn)生比較大的電壓，當(dāng)這個電壓超過預(yù)先設(shè)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(tài)。

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(gòu)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(dāng)通路上出現(xiàn)異常，流經(jīng)異常檢測電感L1的電流會產(chǎn)生較大的瞬間突變。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，流經(jīng)電感的電流會產(chǎn)生瞬間突變會使電感兩端會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，即電感兩端會產(chǎn)生比較大的電壓，感應(yīng)電動勢的大小與單位時間內(nèi)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(jìn)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(dāng)差分電路輸出電壓達(dá)到U1A產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)，導(dǎo)致U2A產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)，而U2A的輸出又反饋回U1A，這樣將這個狀態(tài)得以鎖存。只要正確設(shè)定差分放大器的放大倍數(shù)，即可設(shè)定產(chǎn)生鎖存的電感兩端的電壓大小，而電感兩端產(chǎn)生的電壓大小取決于通路電流的變化快慢。當(dāng)電流通路短路異常時，電流將發(fā)生較大的突變，此時電感兩端產(chǎn)生較大的壓差，使U2A輸出保護(hù)鎖存邏輯。

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

如圖6所示，當(dāng)通路產(chǎn)生異常時，過載旁路控制信號會使過載旁路電路導(dǎo)通到地，則此時瞬態(tài)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(fù)載的電流通過過載旁路電阻導(dǎo)通到地，起到保護(hù)負(fù)載的作用。同時此電路還起到作為過流保護(hù)自恢復(fù)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(xiàn)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(chǎn)生由大到小的變化，到小到一定程度，將促使過流保護(hù)控制輸出電路恢復(fù)。此電路保證產(chǎn)生過流保護(hù)后再自恢復(fù)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(fù)。延遲的時間取決于產(chǎn)生過流保護(hù)時的電流大小、設(shè)定的下限恢復(fù)閾值以及通路電流泄放速度。這個電路使所設(shè)計的過流保護(hù)控制輸出電路不需要使用復(fù)雜的脈沖發(fā)生電路。

過流保護(hù)控制輸出電路和異常死鎖保護(hù)電路產(chǎn)生的控制電平。通過11-或門相或后用于得到半導(dǎo)體開關(guān)控制信號，用于控制01-半導(dǎo)體開關(guān)的導(dǎo)通或關(guān)斷，同時用于控制過載旁路電路的開啟或關(guān)閉?；蜷T的用處是保證過流保護(hù)控制輸出電路和異常死鎖保護(hù)電路兩個中任何一個產(chǎn)生保護(hù)輸出都會能控制半導(dǎo)體開關(guān)關(guān)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(dǎo)體開關(guān)等待一定時間后再開啟，避免輸入電源剛上電會產(chǎn)生波動；二是保證半導(dǎo)體開關(guān)在輸入電源上電時開關(guān)不是立即導(dǎo)通產(chǎn)生沖擊電流；而是由小到大慢慢導(dǎo)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(dǎo)體開關(guān)，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(dāng)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(dǎo)體開關(guān)Q1慢慢開啟，而不是迅速打開。此電路克服了復(fù)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(biāo)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(hù)閾值設(shè)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(jīng)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(jìn)行放大后，輸入保護(hù)決策電路。

保護(hù)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(biāo)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(gòu)成的鎖存器組成。

模塊3：模塊3是瞬態(tài)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(fù)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(guān)導(dǎo)通和截止兩種狀態(tài)，當(dāng)開關(guān)管工作于導(dǎo)通狀態(tài)時，整個通路由極小的對地阻抗，可以產(chǎn)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(wěn)定，同時保證半導(dǎo)體開關(guān)管慢慢開啟，而不是迅速打開，這種無需復(fù)雜的升壓電路。

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一種可靠過流保護(hù)功能的電源通路控制方案。此方案具有可以產(chǎn)生自動恢復(fù)又可以產(chǎn)生異常死鎖的特點，通過過常見通用的電阻選擇實現(xiàn)流保護(hù)閾值的精確設(shè)置，實現(xiàn)無需升壓電路的過流保護(hù)電路，實現(xiàn)可以判斷當(dāng)前通路狀態(tài)后再產(chǎn)生自恢復(fù)的過流保護(hù)電路。設(shè)計方案中避免了復(fù)雜的基準(zhǔn)參考電源、升壓電路、脈沖發(fā)生器的應(yīng)用，節(jié)省成本。同時設(shè)計方案使電子電路的過流保護(hù)控制更為方便更有效。

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