電路保護中的欠壓/過壓閉鎖實用巧設計

在電子設備的實際應用中，可能會遇到輸入電壓不穩的情況。例如使用電池的便攜式設備應用，輸入電壓Vin可能很難保持非常穩定。為了防止電壓過低或過高影響后續電路，有時有必要增加欠壓/過壓閉鎖設計。

欠壓閉鎖(UVLO)/ 過壓閉鎖(OVLO)兩個概念的定義如下：

? 欠壓閉鎖(UVLO)，輸入電壓達到某一閾值，后續電路導通，可防止下游電子系統在異常低的電源電壓下工作。

? 過壓閉鎖(OVLO)，輸入電壓超過某一閾值，后續電路斷開，可保護系統免受極高電源電壓的影響。

本文與大家探討，如何使用比較器來實現欠壓/過壓閉鎖，并利用電阻分壓器調整電源欠壓和過壓閉鎖閾值，同時通過引入遲滯設計來提高整個電路抗噪聲能力。

欠壓閉鎖 **(UVLO) **電路設計

如下圖所示，為了實現欠壓閉鎖(UVLO) 電路設計，我們需要：

? 一個比較器

? 一個基準電源VT

? 一個功率開關（比如MOS管）

? 分壓電阻，用來調節閾值

圖1：電阻分壓設計中的欠壓閉鎖電路（圖片來源：ADI）

（公式1）

當輸入電壓從0 V開始上升到UVLO閾值電壓之前，功率開關保持斷開狀態；超過UVLO閾值電壓，功率開關導通，整個電路正常工作。

欠壓閉鎖 **(UVLO) ** +過壓閉鎖(OVLO)電路設計

與使用兩個電阻串聯相比，三個電阻串聯可設置欠壓和過壓閉鎖閾值。

圖2：欠壓閉鎖(UVLO) + 過壓閉鎖(OVLO)電路設計（圖片來源：ADI）

如上圖所示，兩個比較器輸出連接到邏輯與門，邏輯與門再連接功率開關。

（公式2）

（公式3）

當輸入電壓從0V到UVLO閾值電壓，電路斷開；從UVLO閾值電壓到OVLO閾值電壓，電路導通；超過OVLO閾值電壓，電路斷開。

n 功率開關的選擇：N溝道MOS****管vs.P溝道MOS管

在欠壓/過壓閉鎖設計中，功率開關可以使用N溝道或P溝道MOS管來實現。

使用N溝道MOS管作為功率開關時，會有一個小問題, 如下圖所示：

圖3：使用N溝道MOS管，作為欠壓閉鎖電路功率開關（圖片來源：ADI）

當柵極(G)電壓為低電壓（例如：0 V）時斷開（高電阻）。當柵極(G)電壓為高電壓時導通，為了完全導通（低電阻）N溝道MOS管，柵極(G)電壓必須比源極電壓(S)高出MOS管閾值電壓。

而導通時，MOS管源極(S)與漏極(D)電壓一致，也就是要求柵極(G)電壓必須比電源電壓高出MOS管閾值電壓。因此，這需要使用電荷泵來解決這個問題。

當然，使用一些專用的欠壓/過壓保護芯片——如LTC4365、LTC4367和LTC4368——它們集成了比較器和電荷泵?？沈寗覰溝道MOSFET，同時靜態功耗較低。

P溝道MOSFET不需要使用電荷泵，但柵極電壓極性相反；也就是說，低電壓時開關導通，而高電壓時斷開P溝道MOS管。

帶有遲滯功能的欠壓閉鎖電路/欠壓閉鎖電路

對于上面的應用，如果輸入電壓上升緩慢并且有噪聲，或者在電池的應用場景中，電池本身的內阻導致電壓隨著負載電流變大而下降，比較器輸入電壓可能會在閾值電壓附近波動。

為了避免這種類型的波動導致電路的反復振蕩，需要引入遲滯來避免這種振蕩。比如使用有磁滯的比較器，或者加一些被動器件來實現磁滯功能，從而提高比較器抗噪聲能力。

如下圖所示，欠壓閉鎖電路中，在比較器的正輸入與輸出之間增加一個電阻（R H ），來實現延遲。

圖4：帶有遲滯功能的欠壓閉鎖電路 （圖片來源：ADI）

根據計算可以得出：

· 上升沿時，（公式4）

· 下降沿時，（公式5）

舉個直觀的例子，假設V T =1V, R T =10 × R B ：

· 不加RH時，則上升和下降閾值為11 V（帶入公式1）。

· 增加RH = 100 × R B ，則上升輸入閾值為11.1V（帶入公式4），下降閾值為10.09V（帶入公式5）；也就是說，遲滯為1.01V。注意該方法對OVLO無效。

如果過壓OVLO需要帶有遲滯功能，該如何實現呢？增加遲滯的另一個方法是，可以加一個開關來改變底部電阻有效值。

圖5：帶有遲滯功能的欠壓/過壓閉鎖電路 （圖片來源：ADI）

如上圖：

· 上升沿時，

· 當VIN高于閾值之后，比較器低電平輸出，斷開M1, 從而使RH與整個電路斷開

· 下降沿時，

該方法在欠壓閉鎖電路和過壓閉鎖電路中均可使用。

n 帶磁滯功能****的比較器

要實現磁滯功能，一種簡便的方法是直接使用帶磁滯功能的比較器。

可以在Digi-Key篩選器中，在類型欄中選擇“窗口”，即是帶磁滯功能的比較器。（Digi-Key帶磁滯功能比較器）

圖6：在Digi-Key網站中搜索帶磁滯功能比較器

這類比較器會針對上升輸入（例如：V +窗口寬度/2）和下降輸入（例如：V - 窗口寬度/2）提供不同的閾值。

圖7：帶磁滯功能比較器的輸入輸出關系（圖片來源: ADI LTC1042CN8#PBF數據手冊）

本文小結

基于比較器的相同控制電路，利用電阻分壓器，可以輕松實現欠壓和過壓電路設計。面對電源噪聲，可以使用帶有遲滯功能的比較器，也可以調節反饋來實現遲滯功能，以防止電源超過閾值時出現電源開關打開和關閉顫振。