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智能電子保險絲
2016-08-02
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對于大多數(shù)采用電感的非同步整流升壓型開關變換器，其輸入和輸出之間都存在一條直流通路，如圖1所示。該通路的存在會造成兩種不良后果：其一，一旦輸出短路或嚴重過載時間超出幾百毫秒將導致二極管（通常為肖特基二極管）過熱損壞；其二，當由于某種原因，比如人為關閉，使開關振蕩電路停止工作，負載端仍然有電壓存在，只是比輸入端低一個二極管的管壓降而已，這時輸出仍會消耗能量。除此之外，如果該殘存電壓低于負載穩(wěn)態(tài)工作電壓范圍，將使電路處于不確定狀態(tài)。
對于輸出電流相對較小的應用場合（小于5A），利用單片電流模式控制器和高端電流取樣技術，上述兩個問題都可以很好地解決。在這些電路中，二極管被一同步整流開關三極管取代，因此通過關閉內部開關三極管就可把輸入輸出通路截斷，這樣一來，負載端對輸入端來說就呈高阻狀態(tài)，而這正是所希望的結果。在正常工作狀態(tài)，電路內部的高端取樣電阻對負載電流周期性地進行采樣，因此避免了因過流導致災難性后果出現(xiàn)。因此，內部過熱保護電路為變換器提供了安全工作區(qū)（SAO）。
其中MAX668是一個開關控制器，由它完成升壓功能。電流反饋型升壓控制器（MAX668）驅動低端邏輯電平N溝道增強型MOSFET，該開關管通過低端電流取樣電阻到地。高端開關是一肖特基二極管，選擇它主要是它具有低的正向導通壓降。由圖可見，升壓變換器的拓撲基本結構未被破壞。本應用中，MAX668把3.3V電壓變?yōu)?V，負載電流可達3A。
其中P溝道增強型MOSFET——Q1是實現(xiàn)負載斷路的關鍵元件。當MAX668在關閉模式時，二極管D1仍然導通，使得MAX810L的電源端的電壓為3.3V減去二極管D1的管壓降。由于MAX810L的復位門檻電平為4.65V，因此其RESET端輸出為高電平，迫使Q1關斷，從而使負載與輸入電源斷開。MAX668通過外部反饋電阻網絡設定5V輸出電壓。當輸出電壓超MAX810L的復位門檻電平時，其內部單穩(wěn)電路開始工作并延時約240ms。之后，MAX810L的輸出變低，使Q1導通。
Q1導通之后，MAX810L一直監(jiān)測輸出電壓以確定輸出是否過流。過載將會導致輸出電壓下降，當它低于MAX810L門檻電平時，MAX810L的輸出經過20μs的延遲后由高變低，從而關斷Q1并使負載斷開。由于MAX668的升壓作用，MAX810電源端電壓又會高于其門檻電平，240ms的復位延遲時間后，MAX810L輸出再次由高變低，開通Q1并自動再次連通負載。上述過程會一直周期性重復下去，除非移去多余負載或將MAX668關閉使其停止工作。因此MAX810L和開關Q1一起構成了一個固態(tài)開關（電子保險絲）。
MAX810L（微功耗器件）具有非平衡推挽輸出級。當對外輸出電流時，它等效于一個6kΩ電阻；當從外汲取電流時，它等效于一個125Ω的電阻。當導通或關斷Q1時，由于MAX810L的電阻阻止了Q1的密勒電容和柵源電容快速充放電，因此使開關瞬態(tài)過程得以減慢。假定Q1總的等效電容為5000pF時，則MAX810汲取電流時（等效于125Ω電阻）大電流三極管的RC電路的時間常數(shù)約為0.6μs。整個導通過程電壓瞬態(tài)響應時間大約為10RC=6μs。完全關斷同樣開關Q1的時間大約是完全導通時間的48倍。
當外部負載或C2在啟動瞬間要汲取較大電流時，快速導通Q1可能使MAX810輸入電壓低于其復位門檻電壓從而導致復位出現(xiàn)，因此在圖2基礎上再增加一RC網絡以減緩其開通過程，合適地選擇R、C可使負載連接過程延續(xù)到幾個MAX668開關工作周期，使MAX668的輸出電壓一直高于MAX810的復位門檻電壓。假如R、C使Q1的導通時間延長，同時也延長了關斷時間。因此需要在電阻上并聯(lián)一肖特基二極管，以加速當負載過載時關閉Q1的進程。
為了獲得增強型通道及較低的導通電阻，上述電路均需要采用邏輯電平控制的P溝道MOSFET，如果Q1的導通電阻值較大且在其兩端產生較大的壓降（特別是低輸出電壓應用場合或負載離電源的距離較遠時），則應該從Q1漏極端反饋電壓調節(jié)輸出。設計電路時，必須最小化寄生參數(shù)同時仔細考慮電路布局。利用一個SOT23封裝的低電壓模擬開關（MAX4544）可實現(xiàn)上述遠端調節(jié)，該開關受控于MAX810L的輸出，如圖4所示。
根據MAX4544產品參數(shù)，其最低工作電壓為2.7V。由于輸入電壓為3.3V，而肖特基的正向管壓降為0.3V，因此即使該升壓變換處于關閉模式，MAX4544（及MAX810）也處于工作狀態(tài)。此時，MAX810輸出高電平，MAX4544的公共端COM與其常開端NO（Q1的源極）相連。當MAX668使能時，與MAX4544公共端相連的電阻網絡為MAX668提供反饋電壓。由于5V電壓時MAX4544的導通電阻最大可達60Ω，因此為了得到最小輸出電壓誤差，反饋電阻的取值應該很大。由于3V工作電壓時，MAX4544的導通電阻僅為120Ω，因此開關MAX4544引入的誤差電壓很小，即使低輸出電壓也是如此。
當使能升壓變換器，且其輸出電壓超過MAX810的復位門檻電平并經過復位延遲后，MAX810的輸出將由高變低，使Q1導通，連通負載。同時，MAX810輸出的低電平使MAX4544的COM端與NC端（常閉端）接通，使得反饋電阻由Q1的源極切換至Q1的漏極，從而允許從遠離變換器的負載端對輸出電壓進行調節(jié)。
上述MAX4544的開關過程也把MAX810的輸入端從Q1的源極切換到Q1的漏極，這樣一來，MAX810可以用來監(jiān)測負載是否過載。
對于輸出電流相對較小的應用場合（小于5A），利用單片電流模式控制器和高端電流取樣技術，上述兩個問題都可以很好地解決。在這些電路中，二極管被一同步整流開關三極管取代，因此通過關閉內部開關三極管就可把輸入輸出通路截斷，這樣一來，負載端對輸入端來說就呈高阻狀態(tài)，而這正是所希望的結果。在正常工作狀態(tài)，電路內部的高端取樣電阻對負載電流周期性地進行采樣，因此避免了因過流導致災難性后果出現(xiàn)。因此，內部過熱保護電路為變換器提供了安全工作區(qū)（SAO）。
其中MAX668是一個開關控制器，由它完成升壓功能。電流反饋型升壓控制器（MAX668）驅動低端邏輯電平N溝道增強型MOSFET，該開關管通過低端電流取樣電阻到地。高端開關是一肖特基二極管，選擇它主要是它具有低的正向導通壓降。由圖可見，升壓變換器的拓撲基本結構未被破壞。本應用中，MAX668把3.3V電壓變?yōu)?V，負載電流可達3A。
其中P溝道增強型MOSFET——Q1是實現(xiàn)負載斷路的關鍵元件。當MAX668在關閉模式時，二極管D1仍然導通，使得MAX810L的電源端的電壓為3.3V減去二極管D1的管壓降。由于MAX810L的復位門檻電平為4.65V，因此其RESET端輸出為高電平，迫使Q1關斷，從而使負載與輸入電源斷開。MAX668通過外部反饋電阻網絡設定5V輸出電壓。當輸出電壓超MAX810L的復位門檻電平時，其內部單穩(wěn)電路開始工作并延時約240ms。之后，MAX810L的輸出變低，使Q1導通。
Q1導通之后，MAX810L一直監(jiān)測輸出電壓以確定輸出是否過流。過載將會導致輸出電壓下降，當它低于MAX810L門檻電平時，MAX810L的輸出經過20μs的延遲后由高變低，從而關斷Q1并使負載斷開。由于MAX668的升壓作用，MAX810電源端電壓又會高于其門檻電平，240ms的復位延遲時間后，MAX810L輸出再次由高變低，開通Q1并自動再次連通負載。上述過程會一直周期性重復下去，除非移去多余負載或將MAX668關閉使其停止工作。因此MAX810L和開關Q1一起構成了一個固態(tài)開關（電子保險絲）。
MAX810L（微功耗器件）具有非平衡推挽輸出級。當對外輸出電流時，它等效于一個6kΩ電阻；當從外汲取電流時，它等效于一個125Ω的電阻。當導通或關斷Q1時，由于MAX810L的電阻阻止了Q1的密勒電容和柵源電容快速充放電，因此使開關瞬態(tài)過程得以減慢。假定Q1總的等效電容為5000pF時，則MAX810汲取電流時（等效于125Ω電阻）大電流三極管的RC電路的時間常數(shù)約為0.6μs。整個導通過程電壓瞬態(tài)響應時間大約為10RC=6μs。完全關斷同樣開關Q1的時間大約是完全導通時間的48倍。
當外部負載或C2在啟動瞬間要汲取較大電流時，快速導通Q1可能使MAX810輸入電壓低于其復位門檻電壓從而導致復位出現(xiàn)，因此在圖2基礎上再增加一RC網絡以減緩其開通過程，合適地選擇R、C可使負載連接過程延續(xù)到幾個MAX668開關工作周期，使MAX668的輸出電壓一直高于MAX810的復位門檻電壓。假如R、C使Q1的導通時間延長，同時也延長了關斷時間。因此需要在電阻上并聯(lián)一肖特基二極管，以加速當負載過載時關閉Q1的進程。
為了獲得增強型通道及較低的導通電阻，上述電路均需要采用邏輯電平控制的P溝道MOSFET，如果Q1的導通電阻值較大且在其兩端產生較大的壓降（特別是低輸出電壓應用場合或負載離電源的距離較遠時），則應該從Q1漏極端反饋電壓調節(jié)輸出。設計電路時，必須最小化寄生參數(shù)同時仔細考慮電路布局。利用一個SOT23封裝的低電壓模擬開關（MAX4544）可實現(xiàn)上述遠端調節(jié)，該開關受控于MAX810L的輸出，如圖4所示。
根據MAX4544產品參數(shù)，其最低工作電壓為2.7V。由于輸入電壓為3.3V，而肖特基的正向管壓降為0.3V，因此即使該升壓變換處于關閉模式，MAX4544（及MAX810）也處于工作狀態(tài)。此時，MAX810輸出高電平，MAX4544的公共端COM與其常開端NO（Q1的源極）相連。當MAX668使能時，與MAX4544公共端相連的電阻網絡為MAX668提供反饋電壓。由于5V電壓時MAX4544的導通電阻最大可達60Ω，因此為了得到最小輸出電壓誤差，反饋電阻的取值應該很大。由于3V工作電壓時，MAX4544的導通電阻僅為120Ω，因此開關MAX4544引入的誤差電壓很小，即使低輸出電壓也是如此。
當使能升壓變換器，且其輸出電壓超過MAX810的復位門檻電平并經過復位延遲后，MAX810的輸出將由高變低，使Q1導通，連通負載。同時，MAX810輸出的低電平使MAX4544的COM端與NC端（常閉端）接通，使得反饋電阻由Q1的源極切換至Q1的漏極，從而允許從遠離變換器的負載端對輸出電壓進行調節(jié)。
上述MAX4544的開關過程也把MAX810的輸入端從Q1的源極切換到Q1的漏極，這樣一來，MAX810可以用來監(jiān)測負載是否過載。
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