淺談芯片(IC)及系統(tǒng)級(jí)保護(hù)功能

對(duì)于設(shè)計(jì)師而言，在新產(chǎn)品發(fā)布到之前，預(yù)測(cè)其現(xiàn)場(chǎng)可靠性是非常困難的。但一旦發(fā)生未預(yù)期的嚴(yán)重現(xiàn)場(chǎng)故障，則說明設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)是失敗的。然而，即使沒有發(fā)生任何現(xiàn)場(chǎng)故障，仍需要回答以下問題：設(shè)計(jì)師是否對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了余量設(shè)計(jì)？這需要采取一種有效的方法，以避免內(nèi)建的產(chǎn)品可靠性所承擔(dān)的成本代價(jià)，從而消除設(shè)計(jì)中不必要的猜測(cè)工作。

在可靠性方面，最關(guān)鍵的系統(tǒng)元件通常是電源。電源故障往往會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)關(guān)閉，但它所造成的不良后果遠(yuǎn)不止這一點(diǎn)。如果電源故障還造成負(fù)載損壞的話，那么故障的成本將遠(yuǎn)高于電源本身的成本。由于電源直接連接交流市電，而市電是設(shè)計(jì)師無法控制的高能系統(tǒng)，因此電源非常容易受損。市電有時(shí)會(huì)遭遇功率突增，發(fā)生危險(xiǎn)的高壓尖峰和瞬變。負(fù)載自身會(huì)產(chǎn)生故障，造成過載或短路情況。散熱風(fēng)扇會(huì)發(fā)生阻塞或被遮擋，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)溫度過高。

電源設(shè)計(jì)工程師必須實(shí)現(xiàn)性能規(guī)格及成本目標(biāo)，同時(shí)確保耐用性和可靠性。在面臨元件容差、生產(chǎn)變量以及須待解決的諸多危險(xiǎn)因素時(shí)，實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)可是件極其艱巨的任務(wù)。不過，隨著電源控制IC技術(shù)的不斷提升，設(shè)計(jì)工程師的壓力可以得到大大緩解。下面的設(shè)計(jì)范例可以充分說明這一點(diǎn)，這款反激式轉(zhuǎn)換器使用Power Integrations的TOPSwitch-HX控制器/功率IC設(shè)計(jì)而成。

TOPSwitch-HX將一個(gè)700V的功率MOSFET、高壓開關(guān)啟動(dòng)電流源、多模式PWM控制器、振蕩器、熱關(guān)斷保護(hù)電路、故障保護(hù)電路及其他控制電路集成在一個(gè)單片器件內(nèi)，使設(shè)計(jì)師可以設(shè)計(jì)出功能完備的電源，并且只需極少的外圍元件。

圖1所示為一款完整的開關(guān)電源，適用于打印機(jī)和采用電機(jī)或傳動(dòng)器的輕工業(yè)應(yīng)用。該電源可以提供恒定的30W(42V)電流，峰值負(fù)載為84W，并且無須外部散熱片。該電路的峰值負(fù)載能力可以使合適尺寸（用以支持連續(xù)負(fù)載）的元件提供電機(jī)啟動(dòng)時(shí)所需的高電流。該設(shè)計(jì)具有顯著的尺寸、成本和重量優(yōu)勢(shì)，并且絲毫不會(huì)降低可靠性。

圖1 通用輸入、30W連續(xù)輸出、84W峰值功率的噴墨打印機(jī)電源

TOPSwitch-HX (U1)集成了用戶自定義保護(hù)功能，可在輸入欠壓、過壓及輸出過載條件下避免電源及負(fù)載受損。熱關(guān)斷功能具有自動(dòng)恢復(fù)特性，自動(dòng)重啟動(dòng)功能可防止輸出短路和反饋開環(huán)。這些保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)方式將在下面介紹。

輸入保護(hù)
欠壓和過壓保護(hù)功能的控制是通過電壓監(jiān)測(cè)(V)輸入提供的。輸入欠壓保護(hù)可防止通電及斷電時(shí)輸出的不良波動(dòng)，輸入過壓保護(hù)可確保系統(tǒng)能耐受高達(dá)700V的輸入浪涌電壓而不會(huì)造成任何損壞。R2通過由V輸入控制的鎖存關(guān)斷功能來提供輸入欠壓及過壓保護(hù)。如果經(jīng)整流后的直流高壓的電壓值低于欠壓閾值，U1的開關(guān)將被禁止并保持關(guān)斷，直至達(dá)到指定的工作電壓。同樣，如果電壓值超過輸入過壓閾值，U1將立即停止開關(guān)。當(dāng)MOSFET關(guān)斷時(shí)，由于沒有反射電壓和漏感尖峰電壓疊加到漏極，經(jīng)整流的直流高壓抗浪涌沖擊能力將提高100～200V，達(dá)到內(nèi)部700V MOSFET的額定電壓值。

設(shè)計(jì)師經(jīng)常擔(dān)心的電路元件是功率MOSFET。與市場(chǎng)上其他許多額定值為600V的MOSFET相比，U1中集成功率MOSFET的700V源極可提供額外的裕量。U1采用限流點(diǎn)降低及輸入電壓升高來限制過載期間的漏電能量。這樣可使由R3、R4、C4及D5組成的簡單緩沖吸收電路對(duì)功率MOSFET提供全面保護(hù)。此外，U1中所集成的快速輸入過壓抑制電路，可在檢測(cè)到輸入電壓瞬變時(shí)禁止開關(guān)。由于能夠?qū)斎氩钅＠擞刻峁┥鲜鲭p重保護(hù)，因此可以省去常用于提供輸入保護(hù)的金屬氧化物壓敏電阻(MOV)，同時(shí)不會(huì)降低電源可靠性。

輸出保護(hù)
為確保負(fù)載的安全性，應(yīng)提供輸出過壓保護(hù)。如果電源反饋環(huán)路中的元件發(fā)生故障（如光耦器），則可能會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)的高輸出電壓。TOPSwitch-HX中包含集成的輸出過壓及過功率保護(hù)電路。一旦因輸出過載或開環(huán)故障導(dǎo)致C6上的偏置繞組輸出電壓升高，VR1將導(dǎo)通并使電流流入V引腳，從而觸發(fā)鎖存關(guān)斷。為了防止因短時(shí)間過載而引起錯(cuò)誤觸發(fā)，可在VR1與C6之間實(shí)施簡單的RC延遲電路。

輸出過載保護(hù)是一項(xiàng)必備功能，特別是在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的應(yīng)用中。在輸出過載故障條件下（如電機(jī)停轉(zhuǎn)），控制器不得提供這種可損壞負(fù)載的電流，或者不得損壞電源內(nèi)的元件。在U1中，這種保護(hù)是通過控制功率因數(shù)(I2f)和通過利用X引腳輸入控制限流點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)的。在反激式轉(zhuǎn)換器中，輸出功率是LI2f的函數(shù)，其中，L是初級(jí)電感值，I是峰值初級(jí)電流，f是開關(guān)頻率。將I2f合并到單個(gè)數(shù)據(jù)手冊(cè)參數(shù)中后，與I和f為獨(dú)立變量時(shí)的設(shè)計(jì)值相比，給定輸出功率所需的電感值將減小。這樣會(huì)減小在最低輸入電壓的最差條件下提供滿功率所需的初級(jí)電感值。X引腳允許在外部設(shè)定器件限流點(diǎn)，還可以使用兩個(gè)電阻對(duì)X引腳進(jìn)行配置，以降低限流點(diǎn)并提高輸入電壓。這樣可以拉平將會(huì)出現(xiàn)的過載功率隨輸入電壓變化的曲線。

過熱保護(hù)
U1中的過熱保護(hù)由精密的模擬電路提供，當(dāng)結(jié)溫超過熱關(guān)斷溫度（典型值142℃）時(shí)，該電路就關(guān)斷輸出MOSFET；當(dāng)結(jié)溫冷卻到遲滯溫度以下時(shí)，該電路將重新恢復(fù)正常工作。采用75℃（典型值）的遲滯可防止因持續(xù)故障而使PC板出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。通過將U1設(shè)計(jì)為溫度最高的元件，這種內(nèi)部過熱關(guān)斷功能還可以對(duì)整個(gè)電源提供過熱保護(hù)。

使用分立元件來實(shí)現(xiàn)上述多種保護(hù)功能的內(nèi)建是件非常困難且費(fèi)用昂貴的事情，特別是在解決與器件容差相關(guān)的問題時(shí)。對(duì)于低成本或空間受限的應(yīng)用而言，這些困難又會(huì)使保護(hù)功能齊備的電路的尺寸和成本成為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的嚴(yán)重障礙。而開關(guān)IC（如TOPSwitch-HX）內(nèi)所集成的保護(hù)功能，可以使設(shè)計(jì)師集中精力設(shè)計(jì)具有成本優(yōu)勢(shì)的高性能產(chǎn)品，并有信心確保其完全可靠。