如何為同步升壓控制器添加過(guò)壓保護(hù)

1.前言

過(guò)壓保護(hù)電路(OVP)為下游電路提供保護(hù)，使其免受過(guò)高電壓的損壞。

撬棍電路對(duì)電源進(jìn)行短路或鉗位，限制電源電壓，并觸發(fā)可能的保護(hù)功能，如：保險(xiǎn)絲。
串聯(lián)開(kāi)關(guān)則利用MOSFET或晶體管作為開(kāi)關(guān)元件串行連接在電源線上，發(fā)生過(guò)壓時(shí)，OVP電路迅速關(guān)閉MOSFET，斷開(kāi)與下游電路的連接。

盡管大多數(shù)同步升壓控制器中都存在逐周期限流功能，但有時(shí)工程師會(huì)在緊急情況下添加輸出過(guò)壓保護(hù) (OVP) 以保護(hù)分立電路。在這篇文章中，我將向我們展示如何以極低的成本實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的輸出 OVP。雖然我將使用 LM5122 同步升壓控制器及其評(píng)估模塊 (EVM) 作為示例，但建議的電路也適用于其他同步升壓控制器。

2.具體方案

LM5122 多相同步升壓控制器適用于高效同步升壓穩(wěn)壓器應(yīng)用。其控制方法基于峰值電流模式控制，可提供固有的線前饋、逐周期電流限制和簡(jiǎn)單的環(huán)路補(bǔ)償。圖 1 顯示了簡(jiǎn)化的 LM5122 應(yīng)用圖。盡管存在逐周期限流功能，但 LM5122 本身不提供 OVP。但是，通過(guò)添加一個(gè)簡(jiǎn)單的電路，我們可以實(shí)現(xiàn)足夠準(zhǔn)確的輸出過(guò)壓保護(hù)。

圖 1：簡(jiǎn)化的 LM5122 應(yīng)用圖

圖 2 顯示了一個(gè)原始輸出 OVP 電路，其中輸出電壓檢測(cè)電阻分壓器由 R1 和 R2 組成。假設(shè) V z是齊納二極管的擊穿電壓，V be是落在 n 溝道 p 溝道 n 溝道 (NPN) 晶體管的基極和發(fā)射極之間的電壓。我們可以使用等式 1 和 2 來(lái)觸發(fā)電路進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)：

因?yàn)?/span>1/2和V被通常具有耐受性，它們也隨變化溫度，OVP閾值將有很大的不同。

圖 3 顯示了另一個(gè)輸出 OVP 電路，它將具有更多受控的 OVP 閾值。同樣，輸出電壓檢測(cè)電阻分壓器由 R1 和 R2 組成。LMV431 是一款低壓 (1.24V) 并聯(lián)穩(wěn)壓器。通過(guò)比較檢測(cè)電阻分壓器的中心點(diǎn)和 LMV431 的內(nèi)部參考引腳，如果檢測(cè)電阻分壓器的中心點(diǎn)電壓高于 1.24V 參考電壓，則 OVP 將觸發(fā)，如公式 3 所示：

由于 LMV431 具有 1.5% 的初始溫度小容差，因此該電路比帶有齊納二極管的原始輸出 OVP 電路具有更高的 OVP 精度。如果檢測(cè)電阻分壓器的中心點(diǎn)電壓高于1.24V，LMV431的陰極電壓會(huì)降低，這會(huì)導(dǎo)致MMBT2222的基極偏高。MMTB2222 的集電極連接到 LM5122 的欠壓鎖定 (UVLO) 引腳，UVLO 引腳下拉至 0V。升壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)入關(guān)斷模式并停止向輸出傳輸能量。

圖 2：原始輸出 OVP

圖 3：輸出 OVP 電路

使用 LM5122 EVM，OVP 電壓設(shè)置為 23.5V。為了驗(yàn)證 OVP 電路，我們可以調(diào)整 EVM 將標(biāo)稱(chēng) V O設(shè)置為 19.5V，并在 V O感測(cè)分壓器上增加一個(gè)額外的 10kΩ 電阻。圖 4 顯示了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。LO 是低側(cè) N 溝道 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)輸出。當(dāng)V ?添加并聯(lián)10kΩ電阻后增加到23.5V時(shí)，UVLO拉低到零，LM5122進(jìn)入關(guān)閉模式，其中所有的功能被禁用。

圖 4：低端 MOSFET 在 OVP 觸發(fā)時(shí)停止開(kāi)關(guān)

之所以需要使用兩個(gè)MMBT2222和MMBT2907晶體管，是因?yàn)?/span>LM5122的UVLO閾值為1.2V。LMV431 陰極的最低電壓在 1.24V 以上。添加這兩個(gè)晶體管會(huì)導(dǎo)致低于 1.2V 的 UVLO 引腳停止開(kāi)關(guān)。

圖 5 顯示了另一個(gè)沒(méi)有兩個(gè)晶體管的簡(jiǎn)化輸出 OVP 電路。LM5122 控制器具有 UVLO 功能，帶有一個(gè)從電源電壓 V IN到模擬接地引腳 (AGND)的外部 UVLO 設(shè)定點(diǎn)分壓器。LM5122 評(píng)估模塊的啟動(dòng)電壓為 8.7V，V HYS設(shè)置為 0.5V。R UV2的標(biāo)準(zhǔn)值為49.9kΩ ，R UV1的標(biāo)準(zhǔn)值為8.06k Ω 。通過(guò)將 R UV2分成兩個(gè)電阻器 R UV2_1、 R UV2_2并將 LMV431 的陰極連接到這兩個(gè)電阻器 R UV2_1、R UV2_2 的中心點(diǎn)，我們可以使用圖 3 所示的電路實(shí)現(xiàn)類(lèi)似的輸出 OVP 功能。

圖 5：簡(jiǎn)化的輸出 OVP 電路

圖 6 顯示了第二個(gè)輸出 OVP 電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。當(dāng) V O增加到 23.5V 時(shí)，LMV431 的陰極電壓下降到 1.24V，UVLO 引腳電壓變?yōu)?0.53V。LM5122 進(jìn)入待機(jī)模式并停止開(kāi)關(guān)。軟啟動(dòng)電容器放電至 0V，在 5.9ms 軟啟動(dòng)時(shí)間后，器件再次開(kāi)始開(kāi)關(guān)。第二個(gè)輸出 OVP 電路觸發(fā)待機(jī)模式，比第一個(gè) OVP 電路便宜。

圖 6：低端 MOSFET 在 OVP 觸發(fā)時(shí)停止開(kāi)關(guān)

3.結(jié)論

與原始 OVP 電路相比，我在這篇文章中提出的兩個(gè)輸出 OVP 電路具有更準(zhǔn)確的 OVP 閾值。第二個(gè) OVP 電路可以幫助我們為同步升壓控制器構(gòu)建更簡(jiǎn)單、低成本的輸出 OVP 功能。