【導讀】本文介紹的過壓保護電路由過壓保護開關(OVPSwitch)和瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS)組成,可實現(xiàn)完善可靠的抗持續(xù)高電壓和瞬間沖擊電壓的功能。
利用電池供電的移動設備通常需要通過外置的AC適配器對系統(tǒng)電池進行充電。而不同供電電壓的設備間往往共用著相似的電源插座和插頭,這些不同電壓標準的適配器往往會給用戶帶來潛在的錯插風險,可能導致設備因過高的電壓而燒毀。另一方面,來自 AC適配器前端的浪涌或者電網(wǎng)的不穩(wěn)定也有可能導致適配器的輸出電壓超越設備所能承受的范圍。因此,在移動設備設計中就有必要加入充電端口的過壓保護電路,以避免上述情況對設備后端電路的破壞。
本文介紹的過壓保護電路由過壓保護開關(OVPSwitch)和瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS)組成(如圖1),可實現(xiàn)完善可靠的抗持續(xù)高電壓和瞬間沖擊電壓的功能。
圖1:OVPSwitch和TVS組成的過壓保護卡關
在整個方案中,核心部分器件為過壓保護開關,以美國研諾邏輯科技有限公司(AATI)的過壓保護開關 AAT4684為例,過壓保護開關的內(nèi)部主要是由控制邏輯電路和 PMOS管組成,當 OVP端的檢測電壓高于特定電壓閾值之后,邏輯電路就會通過柵極關斷 PMOS的溝道。由于該 PMOS管擁有較高的持續(xù)性耐壓(28V),因此可以保護后端的元器件不會因前端電源輸入異常高壓而燒毀(其內(nèi)部原理如圖2所示)。
圖2:AAT46842 內(nèi)部原理圖
通過以下實驗可以說明當過壓保護開關的輸入端出現(xiàn)過高電壓時它對后端電路所起到的保護作用。
圖3所示為測試所用電路原理圖,輸入端為 12V平穩(wěn)直流源,電源通過一段長度為 1米的導線與 AAT4684的輸入端相連, CH1為 AAT4684輸入電壓的測試點, CH 2為 AAT4684輸出電壓的測試點,CH3為其輸出電流探測點。將 AAT4684的 OVP保護電壓設為 6V(即當電壓超過 6V后,開關管立刻關閉,以保護輸出端的電路)。為體現(xiàn)實際應用中 AC適配器的插拔情況,對系統(tǒng)的上電過程通過導線和電源的機械性拔插來實現(xiàn)。
圖3:測試所用電路原理圖
由圖4所示的波形中可以到,在電路上電的時刻,輸入端的電壓很快超過了 6V并最終穩(wěn)定在了 12V左右,而輸出端電壓由于 OVP開關的作用,始終維持在 0V電壓,即 AAT4684輸出端之后的電路不會因過高的輸入電壓而受到影響,后端電路器件在此時受到了 AAT4684的過壓保護。
圖4:經(jīng)示波器測得的各通道的電壓及電流波形
但是在這同時卻發(fā)現(xiàn)當電源電壓插入的瞬間, AAT4684輸入端的電壓呈現(xiàn)了一個超過 20V的尖峰。如果進一步調(diào)高輸入電壓(如將電壓調(diào)整到 16V),在拔插電源時會發(fā)生 OVP開關燒壞的現(xiàn)象,但是電源所提供的輸出電壓卻遠小于 OVP開關的最高耐壓 28V。如何解釋此現(xiàn)象呢?
原因就出在從電源輸出到 AAT4684輸入的這段導線上。任何一段有長度導線具有一定的等效電感。等效電感的存在相當于在理想導線上串聯(lián)了一個分立電感器,同時由于芯片的輸入端存在的輸入電容,接合起來就相當于一個如圖 5所示的 LC振蕩電路;而這個電路當輸入一個階躍時在輸入電容上最大可出現(xiàn) 2倍于輸入的振蕩電壓。
圖5: 輸入端輸入電容與導線電感構成的LC振蕩電路
由于這些等效器件的存在,就會在系統(tǒng)上電的瞬間于 OVP開關輸入端產(chǎn)生一個高于電源的電壓。過高的瞬間電壓就類似靜電放電電壓,雖然總能量不大,但是如果其電壓值在瞬間高過了 OVP開關的最高耐壓范圍,就足以將 OVP開關內(nèi)部的 MOSFET擊穿,使得芯片輸入端對地發(fā)生短路,失去作用。因此在考慮過壓保護設計時,還應考慮對電路輸入端可能出現(xiàn)的瞬態(tài)高壓的防護。
為解決以上問題,可以在 AAT4684的輸入端放置TVS來實現(xiàn)對瞬間沖擊電壓沖擊的防護。TVS是一種二極管形式的高效能保護器件。當 TVS二極管的兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時,它能以納秒級的速度,將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩?,吸收高達數(shù)千瓦的浪涌功率,使兩極間的電壓箝位于一個預定值,有效地保護電子線路中的元器件免受各種浪涌脈沖損壞。
由于它具有響應時間快、瞬態(tài)功率大、漏電流低、擊穿電壓偏差小、箝位電壓較易控制、無損壞極限、體積小等優(yōu)點,目前已廣泛應用于各類電子設備之中。
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由于 OVP保護開關雖然可以持續(xù)地長時間承受耐壓范圍內(nèi)的電壓,但是卻無法經(jīng)受超過其耐壓范圍的瞬時電壓沖擊,而TVS結構的二級管,雖然無法承受長時間的導通電流,但是卻可以在瞬時吸收很高的電壓沖擊,通過自身的雪崩導通來限制其兩端的最高電壓,對電壓起到鉗位的作用。因此將 TVS管置于 OVP開關電路之前,就可以有效地防止瞬時高壓對 OVP開關的破壞,同時 OVP的持續(xù)受壓能力又可以保護后端電路免受前端電源持續(xù)高電壓的破壞。電路邏輯結構如圖 6所示。
圖6:耐高壓電路邏輯圖
由于 TVS本身就是屬于 ESD保護器件,可以同時提高設備在接口端的靜電保護能力(通常的 TVS管都可以耐受 2KV以上接觸式靜電放電),這樣的設計就可以在真正意義上實現(xiàn)端口的保護功能,有效地提高了器件的使用壽命和可靠性。(關于詳細的 TVS選用可參閱具體文獻。)
另一方面,當 OVP開關導通并存在一個持續(xù)較大工作電流流過時,此時如果突然關閉開關(比如啟動了 OCP過流保護或 OTP過溫保護),因?qū)Ь€電感中的電流不會突變,導線電感中的瞬時電流的變化會在 AAT4684的輸入端產(chǎn)生一個高于電源的電壓,這就使得 OVP開關會在一個很短的時刻需要承受一個極高的電壓,其原理有些類似于開關升壓電路(如圖 7所示)。
圖7:開關升壓電路
以下實驗為了說明這類現(xiàn)象所可能產(chǎn)生的實際輸入電壓的突變,當過壓保護開關有大電流流過并正常工作時將 AAT4684加溫使之自動進入過溫保護( OTP)狀態(tài)來觀察此時輸入端可能產(chǎn)生的波形變化。該實驗電路依舊如前文所述的圖3所示,電源以5.5V電壓供電,負載電流約為 1.5A。
實驗時對 AAT4684進行加熱至芯片過熱保護功能啟動,內(nèi)部的 MOSFET立刻關斷??梢钥吹?,在大約 400ns的時間里,由于流過開關管的電流被快速關斷,在 OVP的輸入和輸出端瞬間確實出現(xiàn)了一個超過 15V以上峰峰值的沖擊電壓,假如電源的輸入電壓更高一些或者負載電流更大一些,這個沖擊電壓也同樣會更高,雖然持續(xù)的時間極短,但是完全有可能在尖峰時刻突破 OVP開關的最高耐壓,從而破壞其內(nèi)部的 PMOS。
如果用同樣的原理進一步分析 OVP開關接通電源時的過程,可以發(fā)現(xiàn),因 OVP開關內(nèi)部的控制電路在剛剛上電的瞬間需要建立狀態(tài),所以在初始的極短時間里, PMOS柵極電壓沒有立刻置高,因此 PMOS溝道還沒來得及關斷(這個時間大約會持續(xù) 0.1us),雖然對后端電路不會有什么影響,但是這個時間產(chǎn)生的導通電流在 PMOS關斷的時刻同樣會產(chǎn)生類似前文所述的問題,即在 OVP的輸入端產(chǎn)生的一個時間極短的過高電壓沖擊可能會危及 OVP開關正常工作。
圖8:開關關閉時各種電壓變化的測量結果
為了避免上面所述的這兩種情況帶來的瞬間高壓對 OVP開關的沖擊,在其前端放置合適的瞬態(tài)電壓抑制器同樣可以很好地解決該問題。由于 TVS管和 OVP開關具有其各自的功能特點,當電路在正常工作時,OVP開關導通,TVS處于反向截止狀態(tài),當輸入電壓高于 OVP保護電壓又低于 OVP正常耐壓時,OVP就起到了對高壓很好地持續(xù)阻斷的作用,保護了后端器件的安全,而當電路的輸入端因前文所述幾種情況而導致瞬時高壓沖擊出現(xiàn)時, TVS管的瞬間導通機制又能很好地吸收沖擊電壓的能量,保護了 OVP開關的安全。其兩者的共同作用就可以有效地實現(xiàn)抑制瞬態(tài)和持續(xù)高壓的功能,完善地保護了整個電路系統(tǒng)的接口免受異常高壓的破壞。
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附錄 :
以下實驗對 AAT4684輸入端使用 TVS和不使用 TVS管前后的波形進行比較,供讀者參考。CH1為 AAT4684的輸入電壓,CH2為 AAT4684的輸出電壓。將電源電壓 Vin設為12V,輸出電容為0.1uF,圖A1為前端沒有TVS管的波形,圖A2為前端加了TVS管的波形(TVS導通電壓為19V)。用5.5V作為電源輸入,負載電流為1.5A時將OVP加熱進入過溫保護瞬間波形,圖B1為前端沒有TVS的波形,圖B2為前端加了TVS時的波形(TVS導通電壓為16V)。
圖A1: 無TVS時輸入端波形
圖A2: 有TVS時輸入端波形
圖B1: 前端沒有TVS時過溫保護瞬間
圖B2: 前端加TVS時過溫保護瞬間
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