智能功率開關電源IC設計

3.5 熱關斷電路

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

故Q1不導通,從而Vout 為高電平。

故障狀態,穩壓管的溫度系數為正,而晶體管的VBE 為負溫度系數。設計的溫度保護能力(當T=150℃)為

同樣計算可得VH(150℃)=0.46V,這樣Q 2 導通,Vout為低電平。此信號直接關斷功率MOSFET。同時這個脈沖信號也輸入到1/8分頻器,做計數用。

3.6 高壓啟動電路

高壓啟動電路如圖7所示,當IC上電后,整個IC處于建立工作環境的狀態。VDMOS的柵極為高電平,則該管導通,Out端有充電電流。當 Vcc達到8.6V時,過壓保護電路送來信號 Vstart為一低電平,使得P2導通,這樣VDMOS截止。另外 R1的作用是充電電流過大時,使P1、Q1導通,使

VDMOS截止,起到保護作用。此充電電流能力設計值為3mA,超過該值,VDMOS就會截至。根據計算,整個IC建立工作環境所需的時間為40ms,與實際仿真結果相符。

3.7 驅動電路

設計驅動電路的目的是為了去除驅動信號的毛刺和對功率MOSFET的柵極起保護作用(圖8)。正常時,N1、N2、N3都處于截止狀態。當電路內部電源電壓Vcc由低電平突然變為高電平時,電容C兩端電壓不能突變,這樣N1導通,使輸出為0。另外當IC突然上電時,由于功率MOSFET的柵漏電容的存在,使柵極的電壓為高電平,但是由于設計中加了電阻 R和N3的存在,對柵極構成旁路,起到保護作用。最后就是如果IC突然斷電時,則功率管漏極沒有大電流供給。如果此時驅動為高電平,則可以從 R上卸流,最終使低電平變低。總之,N1、N2、N3對功率MOSFET 的柵極起保護作用。

3.8 前沿消隱電路

前沿消隱電路如圖9所示。正常時,A點電壓較低,2管導通,則C2輸出為高電平;故障時,也就是功率MOSFET的電流過大時,A點電位升高,使得2管關閉,這樣C2輸出為低電平,出現故障脈沖。值得一提的是,2管的柵極輸入信號和它的源極輸入信號不是同步的,這樣設計的好處是可以避免短暫時間內電流過大的情況。若電流一直很大,則可以發揮前沿消隱作用。這兩個信號的延時大小由幾級反相器和電容構成,其中以電容的貢獻最大,其設計延時時間為200ns。

4 仿真結果

仿真過程中,著重對正常運行、過壓、欠壓、過流、過載等情況做了分析。圖10中模擬了負載變化時功率MOSFET輸出的變化情況。最下面一條波形為負載情況經過光耦合和低通濾波器后的電壓,中間一條波形為IC內部電壓 Vcc信號,最上面一條波形為功率MOSFET柵極上的驅動電壓信號。可以看出,由于充電,Vcc不斷增加達到8.6V時便不再增加(過壓保護電路起作用),IC開始工作。當負載逐漸變小時,引起反饋電壓升高,使得反饋到IC的信號增大,其功率MOSFET柵極的驅動電壓的占空比減少,最終為0。

圖11中模擬了IC內部電壓發生異常時的情況。最下面一條波形為功率MOSFET的柵極驅動電壓,中間一條波形為自動重啟動電路的工作信號(Vstart),最上面一條波形為IC內部電壓 Vcc信號。可以看出,當Vcc 上升到8.5V時,自動重啟動電路關閉,同時計數器開始計數,這時功率MOSFET 還處于工作狀態。當Vcc 降低到7.5V時,自動重啟動電路開始工作,對外接10μF電容進行充電。這樣反復進行8次,在第九個周期時,功率MOSFET再次工作,符合最初的設計要求。

5 結論

本文設計了一種適用于便攜式設備的功率開關電源的IC,通過對其功能及特性的分析,設計了各個子模塊的電路,并對其進行了模擬仿真。結果表明,負荷調節靈敏、精確,各種保護電路動作及時可靠。