电路保护中的欠压/过压闭锁：使用比较器，实用巧设计

来源：Digi-Key
作者：Alan Yang

在电子设备的实际应用中，可能会遇到输入电压不稳的情况。例如使用电池的便携式设备应用，输入电压Vin可能很难保持非常稳定。为了防止电压过低或过高影响后续电路，有时有必要增加欠压/过压闭锁设计。

欠压闭锁(UVLO)/ 过压闭锁(OVLO)两个概念的定义如下：

· 欠压闭锁(UVLO)，输入电压达到某一阈值，后续电路导通，可防止下游电子系统在异常低的电源电压下工作。
· 过压闭锁(OVLO)，输入电压超过某一阈值，后续电路断开，可保护系统免受极高电源电压的影响。

本文与大家探讨，如何使用比较器来实现欠压/过压闭锁，并利用电阻分压器调整电源欠压和过压闭锁阈值，同时通过引入迟滞设计来提高整个电路抗噪声能力。

欠压闭锁(UVLO) 电路设计

如下图所示，为了实现欠压闭锁(UVLO) 电路设计，我们需要：

· 一个比较器
· 一个基准电源VT
· 一个功率开关（比如MOS管）
· 分压电阻，用来调节阈值


图1：电阻分压设计中的欠压闭锁电路（图片来源：ADI）



当输入电压从0 V开始上升到UVLO阈值电压之前，功率开关保持断开状态；超过UVLO阈值电压，功率开关导通，整个电路正常工作。

欠压闭锁(UVLO) + 过压闭锁(OVLO)电路设计

与使用两个电阻串联相比，三个电阻串联可设置欠压和过压闭锁阈值。


图2：欠压闭锁(UVLO) + 过压闭锁(OVLO)电路设计（图片来源：ADI）

如上图所示，两个比较器输出连接到逻辑与门，逻辑与门再连接功率开关。



当输入电压从0V到UVLO阈值电压，电路断开；从UVLO阈值电压到OVLO阈值电压，电路导通；超过OVLO阈值电压，电路断开。

· 功率开关的选择：N沟道MOS管 vs. P沟道MOS管

在欠压/过压闭锁设计中，功率开关可以使用N沟道或P沟道MOS管来实现。

使用N沟道MOS管作为功率开关时，会有一个小问题, 如下图所示：


图3：使用N沟道MOS管，作为欠压闭锁电路功率开关（图片来源：ADI）

当栅极(G)电压为低电压（例如：0 V）时断开（高电阻）。当栅极(G)电压为高电压时导通，为了完全导通（低电阻）N沟道MOS管，栅极(G)电压必须比源极电压(S)高出MOS管阈值电压。而导通时，MOS管源极(S)与漏极(D)电压一致，也就是要求栅极(G)电压必须比电源电压高出MOS管阈值电压。因此，这需要使用电荷泵来解决这个问题。

当然，使用一些专用的欠压/过压保护芯片——如LTC4365、LTC4367和LTC4368——它们集成了比较器和电荷泵。可驱动N沟道MOSFET，同时静态功耗较低。

P沟道MOSFET不需要使用电荷泵，但栅极电压极性相反；也就是说，低电压时开关导通，而高电压时断开P沟道MOS管。

带有迟滞功能的欠压闭锁电路/欠压闭锁电路

对于上面的应用，如果输入电压上升缓慢并且有噪声，或者在电池的应用场景中，电池本身的内阻导致电压随着负载电流变大而下降，比较器输入电压可能会在阈值电压附近波动。

为了避免这种类型的波动导致电路的反复振荡，需要引入迟滞来避免这种振荡。比如使用有磁滞的比较器，或者加一些被动器件来实现磁滞功能，从而提高比较器抗噪声能力。

如下图所示，欠压闭锁电路中，在比较器的正输入与输出之间增加一个电阻（RH），来实现延迟。


图4：带有迟滞功能的欠压闭锁电路 （图片来源：ADI）



举个直观的例子，假设VT=1V, RT=10 × RB：

· 不加RH时，则上升和下降阈值为11 V（带入公式1）。
· 增加RH = 100 × RB，则上升输入阈值为11.1V（带入公式4），下降阈值为10.09V（带入公式5）；也就是说，迟滞为1.01V。注意该方法对OVLO无效。

如果过压OVLO需要带有迟滞功能，该如何实现呢？增加迟滞的另一个方法是，可以加一个开关来改变底部电阻有效值。


图5：带有迟滞功能的欠压/过压闭锁电路 （图片来源：ADI）



该方法在欠压闭锁电路和过压闭锁电路中均可使用。

· 带磁滞功能的比较器

要实现磁滞功能，一种简便的方法是直接使用带磁滞功能的比较器。

可以在Digi-Key筛选器中，在类型栏中选择“窗口”，即是带磁滞功能的比较器。（Digi-Key带磁滞功能比较器）


图6：在Digi-Key网站中搜索带磁滞功能比较器

这类比较器会针对上升输入（例如：V +窗口宽度/2）和下降输入（例如：V - 窗口宽度/2）提供不同的阈值。


图7：带磁滞功能比较器的输入输出关系（图片来源: ADI LTC1042CN8#PBF数据手册）

本文小结

基于比较器的相同控制电路，利用电阻分压器，可以轻松实现欠压和过压电路设计。面对电源噪声，可以使用带有迟滞功能的比较器，也可以调节反馈来实现迟滞功能，以防止电源超过阈值时出现电源开关打开和关闭颤振。