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產品知識

智能電子保險絲

2016-08-02 點擊數:1489
對于大多數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態工作電壓范圍,將使電路處于不確定狀態。

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,而這正是所希望的結果。在正常工作狀態,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。因此,內部過熱保護電路為變換器提供了安全工作區(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電壓變為5V,負載電流可達3A。 

其中P溝道增強型MOSFET——Q1是實現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電路的時間常數約為0.6μs。整個導通過程電壓瞬態響應時間大約為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,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輸出。設計電路時,必須最小化寄生參數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)可實現上述遠端調節,該開關受控于MAX810L的輸出,如圖4所示。

根據MAX4544產品參數,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。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。

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可以用來監測負載是否過載。    
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