具有可靠过流保护功能的电源通路控制方案

摘 要：本文设计了一种可靠过流保护设计方案。设计方案重构了开关电路的设计，以及保护电路的设计，此方案具有自动识别非异常冲击电流自动恢复和异常锁死保护的特点。此方案可使用常见通用的电阻选择实现流保护阈值的精确设置，实现无需升压电路的过流保护电路，实现可以判断当前通路状态后再产生自恢复的过流保护电路。设计方案中避免了复杂的基准参考电源、升压电路、脉冲发生器的应用，精简复杂器件，同时方案更为可靠。

关键词：过流保护 死锁 自恢复

中图分类号：TM771 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）05（a）-0023-04

当前电子通信设备对设备的可靠性和使用性要求越来越高。而当前许多电子通信设备往往由许多单板模块组成，并且要求单板模块支持热拔插；单板模块的热拔插过程中往往会产生大的冲击电流，从而导致单板供电过流保护，因此单板的供电电路控制就要求具备过冲击电流保护设计，以保证单板热拔插的可靠。

1 主要设计方案及缺点

当前主要有以下两种方案。

（1）过流保护死锁设计。

现有的过流保护死锁设计，原理如图1所示。

如图1所示，00-输入电源和07-负载之间串接有01-半导体开关和02-取样电阻。取样电阻两端的电压和流过负载的电流成正比。随着流入负载电流的增大，取样电阻两端的电压增大。03-比较器将取样电阻两端的电压与基准参考源进行比较，当取样电阻两端的电压大于基准参考源时，比较器输出锁存信号，05-锁存电路锁存这个状态，使半导体开关关断。输入电源和负载断开，产生了过流保护功能。06-升压电路的作用是生成高于00-输入电源电压的电压，用于使01-半导体开关可以导通。

（2）自恢复过流保护设计。

自恢复过流保护设计方案与过流保护死锁设计方案相似，只是将其中的锁存电路改为脉冲生成电路。比较器输出反向逻辑时，触发脉冲生成电路产生一个一定时间宽度的脉冲，此确定时间宽度脉冲使半导体开关在脉冲延续的时间内关断；当定时脉冲消失后，半导体开关又恢复开启。

两种过流保设计技术方案存在如下缺点。

（1）取样电阻上会消耗一定的功率，消耗功率的大小正比于取样电阻的大小。为了减少这部分不必要的消耗功率，取样电阻取值需要尽量小。一般取1～10mΩ。电阻阻值的精度一般只能控制在毫欧姆级别，因此可设定的取样精度和范围有限。

（2）一般过流保护电路为了保证上电启动时开关是断开的，大多采用N沟道增强型MOSFET，就必须增加升压电荷泵，才能保证N沟道MOSFET可以导通。电荷泵电路往往设计复杂，并且会产生开关噪声，从而影响过流保护电路的正常工作。

（3）过流保护死锁设计和自恢复过流保护设计均存在一定的局限性。过流保护死锁设计在一些场合中无法应用，如热插拔设计中，往往热插拔过程中会产生一定的冲击电流，但这种冲击电流一般维持时间很短，这种情况下需要能自恢复。而当电路出现异常，如短路，导致过流时，这种情况的过流设计应该产生死锁，以更好的保护负载，这种情况下自恢复过流保护设计无法用。

2 主要设计方案

本文提出了一种客服上述方案的新方案，原理框圖如图3所示。

方案说明，如图3实现方案所示。

00-输入电源、01-半导体开关以及12-负载、13-地构成了基本的电流通路。半导体开关可以使输入电源与负载相互连接，也可以隔开输入电源和负载。即半导体开关可以使电流通路导通也可使电流通路断开。

在半导体开关和负载的通路上串接了过流保护控制输出电路和异常死锁保护输出电路。同时在半导体开关输出端并联了14-瞬态高压抑制电路，在负载输入端并联了09-过载旁路电路。

过流保护控制输出电路由03-取样电阻、04-噪声抑制电路、05-差分放大电路和06-保护决策电路串接而成。异常死锁保护电路由07-异常检测电感，08-异常锁存器串接而成。瞬态高压抑制电路由14-瞬态高压抑制二极管反向接地而成，这种二级管具有抑制高电压脉冲的作用，又同时作为过载旁路回路通路的一个组成部分。09-过载旁路电路一般可由晶体三极管组成，让晶体管工作于开关状态，当开关管工作于导通状态时，负载过载旁路电路有极小的对地阻抗，可以是原本流向负载的电流流向过载旁路电路，从而更好地保护负载。

在取样电阻并联一个04-噪声抑制器电路，以抑制线路噪声，消除外部干扰，使过流保护电路可以更精确工作。无源噪声抑制器有无源器件组成。包括共模噪声抑制器和差模噪声抑制器。

将经过噪声抑制后的取样差模电压输入到具有高共模抑制比的05-差分放大电路进行信号放大，使放大的取样电压的取值在一个确定的范围内。差分放大器输出放大的取样电压输入06-保护决策电路，当05-差分电路输出电压超过06-保护决策电路设置的保护阈值时，保护决策电路输出高控制电平；当05-差分电路输出电压低于06-保护决策电路设置的恢复阈值时，保护阈值设置电路输出低控制电平。

其中，保护决策电路的实现方式如图4所示。

图4保护决策电路由R6、R7，反相器U3A，U4A组成。反相器U3A，U4A组成一般选取CMOS工艺的器件，其输入有效的阈值电压为供电电源的一半。假设输入的电压（05-差分放大器的输出电压）为VI，则：

当VI=VDD×（R6+R7）/2R7=VDD/2×（（1+R6/R7）时，反相器U3A，U4A产生翻转，保护决策电路输出高电平控制信号。

当VI=VDD/2×（1-R6/R7）时，反相器U3A，U4A再次产生翻转，变回原来的值，保护决策电路输出低电平控制信号。

从上面可以看出只要固定取样电阻的大小和差分放大器的放大倍数，以及供电电源（一般直接采用输入电源输入），通过调节电阻R6和R7即可实现保护阈值和恢复阈值的设置。一般R6和R7取值可以取1～10kΩ之间，这种规格的电阻是电子电路设计很容易获取的器件，其精度控制也是容易实现的，因此可以设置比较理想的保护阈值控制。通过电阻R6/R7进行保护阈值控制设置，可以实现更为可靠精确的设置。例如：选取03-取样电阻、04-噪声抑制电路、05-差分放大电路的参数，使05-差分电路输出VDD/2 时对应的通路电流为5.0A。只要选取电阻R6等于1.5kΩ，电阻R7=2.5kΩ，即可实现8.0A过流保护阈值设置；选取电阻R6等于1kΩ，电阻R7等于2kΩ，即可实现7.5A过流保护阈值设置。上述的各种过流保护技术要实现7.5A过流保护阈值设置不必须选取取样电阻精度控制到0.1mΩ的电阻，当前工艺和应用中无法保证这个精度。

异常死锁保护电路由07-检测电感检测通路上的变化情况，当通路上产生大的电流瞬间突变时，表示电路上出现异常。根据法拉第电磁感应定律，电感两端会产生较大的感应电动势，即电感两端会产生比较大的电压，当这个电压超过预先设定的异常阈值时，08-异常锁存器会输出高控制电平，并锁存器这个状态。

具体电路如图5所示。

电路由检测电感L1，差分放大器U1以及或非门U1A、U2A构成的锁存器串接组成，其中电阻R4、R5起给或非门U1A、U2A初始化的作用。异常检测电感检测通路上的电流变化情况，当通路上出现异常，流经异常检测电感L1的电流会产生较大的瞬间突变。根据法拉第电磁感应定律，流经电感的电流会产生瞬间突变会使电感两端会产生感应电动势，即电感两端会产生比较大的电压，感应电动势的大小与单位时间内流过电感的电流变化大小成正比。这个电压输入到差分放大器进行放大。U1A、U2A也是选取CMOS工艺器件，则其输入有效的阈值电压为供电电源的一半。当差分电路输出电压达到U1A产生翻转，导致U2A产生翻转，而U2A的输出又反馈回U1A，这样将这个状态得以锁存。只要正确设定差分放大器的放大倍数，即可设定产生锁存的电感两端的电压大小，而电感两端产生的电压大小取决于通路电流的变化快慢。当電流通路短路异常时，电流将发生较大的突变，此时电感两端产生较大的压差，使U2A输出保护锁存逻辑。

14-瞬态高压抑制二极管，03-取样电阻，07-异常检测电感和09-负载过载旁路电路组成过流保护或异常时的电流通路回路，将负载的电流通路完全阻断，同时泄放负载上的残留能量，如图6所示。

如图6所示，当通路产生异常时，过载旁路控制信号会使过载旁路电路导通到地，则此时瞬态高压抑制二极管，取样电阻，异常检测电感和过载旁路电路组成电流通路回路，将本来要流向负载的电流通过过载旁路电阻导通到地，起到保护负载的作用。同时此电路还起到作为过流保护自恢复延时控制的作用。这个电路中，所有电能量都存储在电感中，电感的能量通过通路释放，表现为通路中电流由大到小的变化。变化的快慢取决于电感的取值。取样电路两端的电压会随着通路中电流由大到小的变化产生由大到小的变化，到小到一定程度，将促使过流保护控制输出电路恢复。此电路保证产生过流保护后再自恢复能有一段足够长的延迟时间，而这段延迟不再是固定的延时，而是保证通路电流降到足够小后才能恢复。延迟的时间取决于产生过流保护时的电流大小、设定的下限恢复阈值以及通路电流泄放速度。这个电路使所设计的过流保护控制输出电路不需要使用复杂的脉冲发生电路。

过流保护控制输出电路和异常死锁保护电路产生的控制电平。通过11-或门相或后用于得到半导体开关控制信号，用于控制01-半导体开关的导通或关断，同时用于控制过载旁路电路的开启或关闭。或门的用处是保证过流保护控制输出电路和异常死锁保护电路两个中任何一个产生保护输出都会能控制半导体开关关闭。

10-启动阻尼电路有两个作用：一是保证输入电源上电后半导体开关等待一定时间后再开启，避免输入电源刚上电会产生波动；二是保证半导体开关在输入电源上电时开关不是立即导通产生冲击电流；而是由小到大慢慢导通，使通路电流由小到大慢慢增大。由于引入的启动阻尼电路，避免了升压供电电路的使用。

启动阻尼电路如科图7所示。

如图7所示，其中Q1是P沟道MOSFET半导体开关，电容C5和电阻R2串接在Q1的输入极和控制极之间，电阻R3接在Q1的控制极和地之间。当电源Vi上电后，由于C5两端电压不能突变，因此，Q1栅极电压也被瞬间充电到Vi，此后这个电压慢慢通过容C5和电阻R2、R3缓慢释放，使P沟道MOSFET半导体开关Q1慢慢开启，而不是迅速打开。此电路克服了复杂升压电路的使用，同时克服了升压电路带来的影响。

3 方案的具体实施

模块1：如图8所示，虚线框所标注模块1。由取样电阻R1，噪声抑制电路共模抑制比差分放大电路好保护阈值设置电路串接而成。其中R1取样电阻取恒定的值。

电容C1、C2组成共模噪声抑制器，电容C3、C4和铁磁氧体L2组成差模噪声抑制器。

R1取样电阻取出的取样电压经噪声抑制器消除差模和共模噪声后输入到高共模抑制比差分放大器进行放大后，输入保护决策电路。

保护决策电路由电阻R6、R7，反相器U3A，U4A组成。

模块2：如图8所示，虚线框所标注模块2，由异常检测电感L2，异常锁存器串接而成。异常锁存电路又由差分放大电路U1以及或非门U1A，U2A构成的锁存器组成。

模块3：模块3是瞬态高压抑制D1组成，这种二级管具有抑制高电压脉冲的作用，又可以做过载旁路回路通路的作用。

模块4：其是负载过载旁路电路，一般可由晶体三极管Q2、电阻R9和电阻R10组成，让晶体管工作于开关导通和截止两种状态，当开关管工作于导通状态时，整个通路由极小的对地阻抗，可以产生过载旁路作用。

模块5：启动阻尼电路。启动阻尼电路由P沟道MOSFET Q1，电容C5和电阻R2、电阻R3组成。保证电源上电后能有一定的时间保持稳定，同时保证半导体开关管慢慢开启，而不是迅速打开，这种无需复杂的升压电路。

4 结语

本文设计了一种可靠过流保护功能的电源通路控制方案。此方案具有可以产生自动恢复又可以产生异常死锁的特点，通过过常见通用的电阻选择实现流保护阈值的精确设置，实现无需升压电路的过流保护电路，实现可以判断当前通路状态后再产生自恢复的过流保护电路。设计方案中避免了复杂的基准参考电源、升压电路、脉冲发生器的应用，节省成本。同时设计方案使电子电路的过流保护控制更为方便更有效。

参考文献

[1]CMOS模拟集成电路设计[M].2版.电子工业出版社，2007.

[2]Linear Regulators：Theoryof Operation and Compensation National Semiconductor Application Note 1148[Z].Chester Simpson，2000.

[3]Switching Regulator Fundamental[EB/OL].http：//.cn/lit/pdf/SNVA559A.