智能功率開關(guān)電源IC設(shè)計(jì)

3.5 熱關(guān)斷電路

熱關(guān)斷電路如圖6所示。正常情況下T =25℃,Vz=6.3V,V BE1=0.75V,VBEH=0.65V,此時(shí) VH = R3 ( Vz -VBE1) / (R2+R3)=0.43V VBEH

故Q1不導(dǎo)通,從而Vout 為高電平。

故障狀態(tài),穩(wěn)壓管的溫度系數(shù)為正,而晶體管的VBE 為負(fù)溫度系數(shù)。設(shè)計(jì)的溫度保護(hù)能力(當(dāng)T=150℃)為

同樣計(jì)算可得VH(150℃)=0.46V,這樣Q 2 導(dǎo)通,Vout為低電平。此信號(hào)直接關(guān)斷功率MOSFET。同時(shí)這個(gè)脈沖信號(hào)也輸入到1/8分頻器,做計(jì)數(shù)用。

3.6 高壓?jiǎn)?dòng)電路

高壓?jiǎn)?dòng)電路如圖7所示,當(dāng)IC上電后,整個(gè)IC處于建立工作環(huán)境的狀態(tài)。VDMOS的柵極為高電平,則該管導(dǎo)通,Out端有充電電流。當(dāng) Vcc達(dá)到8.6V時(shí),過壓保護(hù)電路送來信號(hào) Vstart為一低電平,使得P2導(dǎo)通,這樣VDMOS截止。另外 R1的作用是充電電流過大時(shí),使P1、Q1導(dǎo)通,使

VDMOS截止,起到保護(hù)作用。此充電電流能力設(shè)計(jì)值為3mA,超過該值,VDMOS就會(huì)截至。根據(jù)計(jì)算,整個(gè)IC建立工作環(huán)境所需的時(shí)間為40ms,與實(shí)際仿真結(jié)果相符。

3.7 驅(qū)動(dòng)電路

設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路的目的是為了去除驅(qū)動(dòng)信號(hào)的毛刺和對(duì)功率MOSFET的柵極起保護(hù)作用(圖8)。正常時(shí),N1、N2、N3都處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)電路內(nèi)部電源電壓Vcc由低電平突然變?yōu)楦唠娖綍r(shí),電容C兩端電壓不能突變,這樣N1導(dǎo)通,使輸出為0。另外當(dāng)IC突然上電時(shí),由于功率MOSFET的柵漏電容的存在,使柵極的電壓為高電平,但是由于設(shè)計(jì)中加了電阻 R和N3的存在,對(duì)柵極構(gòu)成旁路,起到保護(hù)作用。最后就是如果IC突然斷電時(shí),則功率管漏極沒有大電流供給。如果此時(shí)驅(qū)動(dòng)為高電平,則可以從 R上卸流,最終使低電平變低?？傊?N1、N2、N3對(duì)功率MOSFET 的柵極起保護(hù)作用。

3.8 前沿消隱電路

前沿消隱電路如圖9所示。正常時(shí),A點(diǎn)電壓較低,2管導(dǎo)通,則C2輸出為高電平;故障時(shí),也就是功率MOSFET的電流過大時(shí),A點(diǎn)電位升高,使得2管關(guān)閉,這樣C2輸出為低電平,出現(xiàn)故障脈沖。值得一提的是,2管的柵極輸入信號(hào)和它的源極輸入信號(hào)不是同步的,這樣設(shè)計(jì)的好處是可以避免短暫時(shí)間內(nèi)電流過大的情況。若電流一直很大,則可以發(fā)揮前沿消隱作用。這兩個(gè)信號(hào)的延時(shí)大小由幾級(jí)反相器和電容構(gòu)成,其中以電容的貢獻(xiàn)最大,其設(shè)計(jì)延時(shí)時(shí)間為200ns。

4 仿真結(jié)果

仿真過程中,著重對(duì)正常運(yùn)行、過壓、欠壓、過流、過載等情況做了分析。圖10中模擬了負(fù)載變化時(shí)功率MOSFET輸出的變化情況。最下面一條波形為負(fù)載情況經(jīng)過光耦合和低通濾波器后的電壓,中間一條波形為IC內(nèi)部電壓 Vcc信號(hào),最上面一條波形為功率MOSFET柵極上的驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)?？梢钥闯?由于充電,Vcc不斷增加達(dá)到8.6V時(shí)便不再增加(過壓保護(hù)電路起作用),IC開始工作。當(dāng)負(fù)載逐漸變小時(shí),引起反饋電壓升高,使得反饋到IC的信號(hào)增大,其功率MOSFET柵極的驅(qū)動(dòng)電壓的占空比減少,最終為0。

圖11中模擬了IC內(nèi)部電壓發(fā)生異常時(shí)的情況。最下面一條波形為功率MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)電壓,中間一條波形為自動(dòng)重啟動(dòng)電路的工作信號(hào)(Vstart),最上面一條波形為IC內(nèi)部電壓 Vcc信號(hào)?？梢钥闯?當(dāng)Vcc 上升到8.5V時(shí),自動(dòng)重啟動(dòng)電路關(guān)閉,同時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù),這時(shí)功率MOSFET 還處于工作狀態(tài)。當(dāng)Vcc 降低到7.5V時(shí),自動(dòng)重啟動(dòng)電路開始工作,對(duì)外接10μF電容進(jìn)行充電。這樣反復(fù)進(jìn)行8次,在第九個(gè)周期時(shí),功率MOSFET再次工作,符合最初的設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種適用于便攜式設(shè)備的功率開關(guān)電源的IC,通過對(duì)其功能及特性的分析,設(shè)計(jì)了各個(gè)子模塊的電路,并對(duì)其進(jìn)行了模擬仿真。結(jié)果表明,負(fù)荷調(diào)節(jié)靈敏、精確,各種保護(hù)電路動(dòng)作及時(shí)可靠。