簡述集成電源開關(guān)保護(hù)方案

引言：在許多系統(tǒng)中，電流限制必須將瞬態(tài)過載電流限制在允許的水平，傳統(tǒng)的限流保護(hù)方案，如分立可復(fù)位保險絲電路，由于其不準(zhǔn)確性、響應(yīng)速度較慢，以及缺乏可配置性和可重復(fù)性，性能較差，本節(jié)簡述集成電源開關(guān)保護(hù)方案如何克服分立限流保護(hù)方案的局限性。

集成電源開關(guān)保護(hù)方案提供準(zhǔn)確和可調(diào)的電流限制，有助于精確地限制過載電流，從而減少前級功率耗散和無源元件、線纜和PCB的尺寸。此外精確的限流（或輸出功率限制）功能通過符合關(guān)鍵的安全標(biāo)準(zhǔn)簡化了系統(tǒng)設(shè)計。

1.對電流限制的需求

在電子設(shè)備中的半導(dǎo)體組件、無源濾波器、PCB走線和接口電纜都具有固有的最大過電流能力，當(dāng)超過這個載流能力時，就會導(dǎo)致它們過熱，可能達(dá)到不可恢復(fù)的狀態(tài)。為了克服這一問題，需要某種限流裝置將故障電流限制在最大額定電流限制范圍內(nèi)，并在故障被排除后使系統(tǒng)恢復(fù)正常運行。

在圖6-1所示的示例中，DC-DC1正在為各個內(nèi)部子系統(tǒng)供電，每個子系統(tǒng)都需要一個特定的電壓才能正常運行。這些子系統(tǒng)中的任何一個發(fā)生過載事件都可以影響連接到同一配電總線的其它關(guān)鍵負(fù)載的運行，從而導(dǎo)致系統(tǒng)功能錯誤或系統(tǒng)重位。

圖6-1：典型電子設(shè)備中的功率分布

為了避免這種情況，可以在每個電源路徑中使用電流限制器件來應(yīng)對過載和短路事件，并保護(hù)敏感電路，以實現(xiàn)可靠的系統(tǒng)運行。限流器件的性能主要由以下幾個參數(shù)決定：精度、可調(diào)性、可重復(fù)性、響應(yīng)時間。

2.實現(xiàn)電流限制的方法

保險絲

保險絲（熔斷器）被認(rèn)為是傳統(tǒng)保護(hù)器件，它將過載或短路故障與主系統(tǒng)隔離，雖然保險絲是一種廉價的解決方案，但它們可能達(dá)不到現(xiàn)代電子設(shè)備的許多保護(hù)要求。過載電流需要比額定保險絲電流高得多（500%），才能在幾ms內(nèi)產(chǎn)生響應(yīng)。這使得預(yù)測保險絲將斷開的精確過電流值變得極其困難。保守的保險絲額定電流選擇可能會導(dǎo)致浪涌電流事件期間保險絲熔斷，此外一旦保險絲在過載事件中熔斷，就必須進(jìn)行物理更換，這會增加系統(tǒng)停機(jī)時間和維護(hù)成本。圖6-2顯示了這樣一個場景。

圖6-2：每次都需要更換保險絲才能恢復(fù)正常運行

可復(fù)位保險絲是一種正溫度系數(shù)（PTC）器件，其導(dǎo)通電阻隨溫度而增加，在過載事件期間，過大的負(fù)載電流會增加功率損耗，從而增加其導(dǎo)通電阻。較高的導(dǎo)通電阻有助于限制過載電流并保護(hù)電路，與物理熔斷器不同，PTC允許電流在故障排除后流動，而無需更換設(shè)備。

由于PTC是由過電流負(fù)載的加熱效應(yīng)驅(qū)動的，它們的反應(yīng)時間被限制在幾ms內(nèi)，因為它們對環(huán)境溫度有自然的依賴性，如圖6-3所示。可復(fù)位保險絲的另一個特性是每次復(fù)位后，其導(dǎo)通電阻都會增加，這導(dǎo)致隨著時間的推移，可重復(fù)性能會有衰減。

圖6-3：跳閘時間與跳閘電流-溫度相關(guān)性

分立電流限制電路

圖6-4顯示了使用分立元件的限流電路示例，分立功率開關(guān)Q1周圍的R-C器件降低了Q1的開關(guān)速度，并提供浪涌電流控制。在該方案中，串聯(lián)感測電阻器Rs和PNP三極管的組合提供有源電流限制。

圖6-4：使用分立元件的有源限流電路

在穩(wěn)態(tài)操作中，Q1完全導(dǎo)通，并且負(fù)載電流流過串聯(lián)感測電阻器Rs和分立功率開關(guān)Q1。Rs兩端的電壓降為Q2產(chǎn)生偏置電壓Vbe，用于以閉環(huán)形式控制Q1。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到足以使Q2偏置時，Q2降低Q1的柵極-源極電壓VGS，將負(fù)載電流限制在Vbe/Rs。

這種分立方法的響應(yīng)時間比保險絲或PTC好得多，但仍然存在精度差的問題，考慮到Vbe電壓隨溫度的變化，電流限制精度可以在30%的范圍內(nèi)。另一個缺點是感測電阻器中的功率損耗，對于5A應(yīng)用，耗散將高達(dá)3.25W（0.65V×5A=3.25W）。

在過載的情況下，可以通過使用電流感測放大器或快速比較器來禁用直通開關(guān)Q1來減少功率損耗，但這增加了復(fù)雜性和成本。分立限流電路不包含熱保護(hù)，因此這些解決方案需要通過仔細(xì)選擇FET和謹(jǐn)慎的熱設(shè)計，以在極端故障條件下將通過FET保持在安全工作區(qū)域限制內(nèi)，所有這些限制通常會導(dǎo)致準(zhǔn)確性、成本、復(fù)雜性、PCB尺寸和功率損耗之間的權(quán)衡。

eFuse

eFuse是一種帶有集成FET的有源（主動）電流保護(hù)裝置，用于在故障條件下將電流限制在安全水平。eFuse的常見元件是用于調(diào)制負(fù)載電流的電源開關(guān)、電流感測元件和控制邏輯。如以下圖6-5所示，可以通過eFuse ILIM引腳處的外部電阻器RLIM將電流限制閾值設(shè)置為所需值，從而在將電流限制調(diào)整到寬范圍時提供靈活性。

在穩(wěn)態(tài)條件下，集成電源開關(guān)完全打開，以最大限度地減少電源路徑中的壓降，在任何時候如果負(fù)載電流達(dá)到設(shè)定的電流限制水平ILIM，則柵極控制將集成電源開關(guān)轉(zhuǎn)換為線性模式，這增加了eFuse兩端的導(dǎo)通電阻和相應(yīng)的電壓降，以提供恒定的輸出電流。

圖6-5：eFuse的方框圖

圖6-6顯示了電流限制設(shè)置為4A的eFuse的過載響應(yīng)，如圖所示，eFuse對過載事件（通常為數(shù)百us）做出快速響應(yīng)，并調(diào)節(jié)ILIM的輸出電流，故障排除后，eFuse將恢復(fù)正常工作。eFuse使用電流鏡電路來測量路徑電流，從而不需要外部感測電阻器（如圖6-4中的Rs）。這種方法不僅節(jié)省了板空間，還消除了感測電阻器的損耗，并提供了比分立方法更好的限流精度--->在±5%到±8%的范圍內(nèi)。

eFuse設(shè)備的另一個主要優(yōu)點是其集成的過溫保護(hù)，當(dāng)結(jié)溫超過150°C（典型）時，eFuse會關(guān)閉集成電源開關(guān)。

圖6-6：使用eFuse進(jìn)行的瞬態(tài)過載電流限制和恢復(fù)

高側(cè)開關(guān)

智能電源開關(guān)通過過電流保護(hù)提供強(qiáng)大的過載和接地短路保護(hù)，可在AEC-Q100等級中使用，這些器件提供類似于eFuse的限流功能，但其驅(qū)動感應(yīng)式板外負(fù)載的能力不同。

如圖6-7所示，智能電源開關(guān)可以選擇使用內(nèi)部固定的高電流限值（當(dāng)CL引腳接地時）或外部電流下限值（當(dāng)CL引腳通過外部電阻器RCL連接到地時）?？烧{(diào)節(jié)的低電流限制大大降低了內(nèi)部電源開關(guān)在故障期間必須耗散的故障能量，從而減輕了電源開關(guān)的壓力，提高了系統(tǒng)的可靠性。

圖6-7：高側(cè)開關(guān)的方框圖

電流下限也有助于將涌入電流箝位到更低的值，如圖6-8所示，更低的故障電流通過最小化PCB走線寬度和電纜尺寸，以及更低的連接器額定值和組件公差，節(jié)省了系統(tǒng)級成本。

圖6-8：使用高側(cè)開關(guān)進(jìn)行的沖擊電流箝位

3對功率限制的需要

通常需要功率限制來限制輸送到負(fù)載的功率，對于電壓范圍較窄的電源，限流裝置足以限制功率，但對于電壓范圍更寬的電源，需要功率限制裝置，圖6-9展示了限制功率的典型結(jié)構(gòu)。

圖6-9：典型的功率限制圖

在大多數(shù)應(yīng)用中，可以通過電流限制來實現(xiàn)功率限制，但某些應(yīng)用需要精確地限制輸送到負(fù)載中的能量或功率。諸如可編程邏輯控制器之類的工業(yè)系統(tǒng)具有從18V到36V的寬操作電壓范圍。在電信系統(tǒng)中，操作電壓范圍從36V到72V變化，因此可能需要功率限制以及電流限制。

對于固定的輸出電壓或較小的電壓變化限制電流可以實現(xiàn)功率限制，但是電壓的較大變化需要額外的控制回路來限制功率。這個額外的電流回路通過電壓來調(diào)整電流限制，以保持恒定的功率。

諸如國際電工委員會（IEC）61010-1的用于工業(yè)設(shè)備功率和能量限制的安全和合規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，遵守這些標(biāo)準(zhǔn)意味著還需要精確的功率限制。某些電源具有固有的功率限制，這些電源符合國家電氣規(guī)范（NEC）2級或IEC 60950標(biāo)準(zhǔn)，在這些電源中實現(xiàn)功率限制需要額外的功率限制電路。

使用eFuse實現(xiàn)功率限制

為了精確限制功率，例如在工業(yè)應(yīng)用中，有的eFuse提供了一種集成解決方案，這些eFuse具有額外的功率限制控制回路，輸出功率限制可通過PLIM引腳進(jìn)行配置。一般精度可以達(dá)到±6%，功率最高可達(dá)150W。這些設(shè)備還通過使兩倍于編程電流限制（兩倍于脈沖電流）的電流傳遞到負(fù)載來支持負(fù)載瞬態(tài)變化。

圖6-10顯示了此類eFuse的功率限制響應(yīng)，PLIM引腳上的電阻將輸出功率限制設(shè)置為100W，該裝置允許12A的脈沖電流和282W的脈沖功率持續(xù)25ms以支持負(fù)載瞬變。

圖6-10：eFuse的功率限制（支持兩倍脈沖電流，ILIM=6A，VIN=24V）

通過外部控制回路實現(xiàn)功率限制

對于具有窄輸入電壓范圍的電源，可以使用電流限制來實現(xiàn)功率限制，在更寬電壓范圍的電源中實現(xiàn)功率限制需要用于精確功率限制的附加控制回路，該回路基于輸出電壓調(diào)整電流限制。

圖6-11：帶額外控制回路eFuse功率限制

圖6-11顯示了用于功率限制的eFuse的控制環(huán)路，附加控制回路使用TLV170放大器將與輸出電壓成比例的電流注入ILIM引腳，用于功率限制。圖6-12提供了圖6-11所示電路的PSpice模擬結(jié)果，模擬輸入電壓在18V到32V之間變化，TLV170調(diào)整其電流限制，輸出功率限制在10W以下。

圖6-12：圖6-11功率限制仿真結(jié)果

4.結(jié)論

限流是大多數(shù)現(xiàn)代電子設(shè)備的基本保護(hù)要求，盡管分立組件可以工作，但它們需要更多的PCB空間，效率較低，附帶功能有限，并且通常成本效益較低，eFuse和高邊開關(guān)，提供準(zhǔn)確的電流限制，更快的響應(yīng)時間，并且可以在無需用戶干預(yù)的情況下自行恢復(fù)。