IBA基电源系统的保护电路(05-100)

　　输出过压保护

　　由于尺寸的减小,使得新式低电压IC对过压条件特别敏感。电源过压可能导致半导体结击穿。这可能经器件产生低电阻通路,而变成局部热源。

　　若电阻对于断开转换器的过载保护电路不是足够低,则失效器件可能变得热失控。其结果是冒烟,起火烧坏板和元件,有严重的气味。

　　因此,在损耗可能发生前,检测和适当地响应任何的输出过压条件是极其重要的。

　　购买的AC-DC电源和隔离DC-DC单元具有防止持续过压条件的性能。首先,电源轨的隔离特性防止输出过压引起的任何短路MOSFET。其次,用分离基准来监控器件输出电压。若输出电压变得太高,一个分离信号穿过隔离边界来闭锁脉宽调制(PWM)控制器。

　　然而,相当可靠的非隔离同步降压转换器(最普通的niPOL)给出持续的过压条件来响应几个单点失效条件(图3)。首先考虑R1的焊点断开将会发生什么事情。这会断开到误差放大器的反馈信号,导致控制器误认为输出电压太低。据此,它将达到最大占空比,导致几乎整个输入电压呈现在输出。

 

　　图3 非常可靠的非隔离同步降压转换器,可以给出由于不同单点失效条件引起的持续输出过压

 

　　图4 只检测欠压条件的典型的电压监控器(a)。可以检测欠压和过压条件的窗口比较器(b)

　　其次,考虑MOSFETQ1短路失效。这将驱动开关节点变高态并力图施加输入电压跨接在输出。大多数控制器导通Q2,降低占空比或通过其内部过压检测来响应此条件。因此,大的电源电流将流经两个MOSFET。但是,若这是非常大功率的总线,其输出可能是不确定的。最后,若控制器内的基准失效,这也可能使得输出超出设定的设置点。

　　如同过温保护一样,在每个niPOL转换器可增加更多电路防止导致输出过压的这些失效模式。为了响应断开反馈或基准失效,可以用另一个基准和比较器来监控输出信号,而且,在必要时可关断控制器。为响应短路MOSFET,可以用输入断开开关或带SCR的线内保险丝来中断到转换器的输入电源。然而,这些电路对系统设计中的成本、尺寸和功耗有负面影响。再一次可用系统级方法来实现更好的方案。

　　如图1所见,每个输出已有一个电压监控电路。在大多数情况下,设计人员选择市场上可得到的一个通用电压监控IC(如图4a)。此时,被监控的电压与内部基准电压进行比较。一个单数字输出确定监控电压是否低于或高于基准电压。例如,监控1.8V电源将导致在达到1.71V或额定值的95%时,此信号变为有效。因为此电路仅给出一个信息(高于或低于阈值),所以它仅用来监控输出欠压(UV#)。一个典型设计保持系统处在复位状态,除非所有电源电压高于UV阈值。

　　增加一个比较器和一个电阻器,电路变成窗口比较器(图4b )。窗口比较器不仅仅提供已有的UV#信号,而且也提供过压(OV#)信号来检测输出电压是否太高。多电源提供这种比较器,所以只需要增加一个电阻器。也可以用一个分离基准和比较器实现OV#检测。

　　与热失效条件一样,响应输出过压的唯一合适的操作是关断系统电源。因此,若OV#信号变为有效,则电源管理电路立即闭锁中间总线转换器和认定失效状态做为响应。这也可以防止损耗半导体器件和其他负载,允许重新修复板。

　　OV#断开电压应该设置得足够高,以保证在启动、负载增量或其他瞬态条件下不被认定为失效。可放置一个小电容器与RC并联,来滤除任何噪声或增加一个小的延迟。

　　此监控电路与niPOL转换器无关,它具有自身的基准。监控电路放置在系统板上的方便位置,通常靠近主负载。由于输出是数字的,所以很少关心返回到电源管理电路的噪声耦合。若OV信号是集电极开路,则所有OV监控器可以是二极管“或”在一起,来产生一个主OV信号到电源管理控制器,使设计复杂性最小。

　　电源系统设计人员必须保证当它们放在一起时,总电源系统的工作如所希望的那样。尽管很多失效造成非恶性的条件(如停止工作),但是,一些失效可能导致非常惊人的事件。只要有可能,就应该避免失效条件下的集中热和功耗。采用总是开通的辅助电源和已有的电源管理电路,用低成本、少元件和小的设计影响可以在系统级实现过压和过温保护。断开高功率中间总线可去除使系统遭受重大损害的能量。■(益林)