基于COT 架構的過流保護電路設計

劉 健

（運城學院，山西 運城 044000）

0 引言

電子信息技術的不斷進步，手機、平板電腦等電子產品功能不斷豐富，性能持續增強，CPU 主頻越來越高，功耗大大增加。為了維持電池電壓需利用電源管理芯片實現電壓轉換，可以降低功耗，延長電子設備待機時間。本文研究了基于COT 架構的Buck 變換器的過流保護電路，Buck 變換器是一種結構相對簡單，實用性好的DC/DC 降壓變換器，其過流保護電路作為電源管理芯片的關鍵組成部分，主要任務是避免電路發生短路輸或負荷過大，導致電子器件損壞。本文提出了具備雙閾值、定時閾值、溫度補償功能的過流保護電路，并分析了定時電路、比較器及運算放大器等過流保護電路子模塊的電路設計[1]。

1 基于COT 架構的過流保護方法

1.1 基于COT 架構的傳統過流保護電路

圖1 表示的是一種基于COT 架構的傳統過流保護電路。

當開啟上管時借助導通電阻檢測電感電流，達到控制電流峰值的目的，電路基本原理是：正常情況下電路中的OCP 比較器輸出邏輯高電平，不影響回路，金氧半場效晶體管開關狀態由脈寬調制（PWM）比較器控制。如果電路當電流超過預定最大值（過流）時，上功率管導通電阻后壓降超出閾值，此時OCP 比較器輸出邏輯低電平使脈寬調制（PWM）比較器控制金氧半場效晶體，驅動上管關斷，下管開啟，待電流低于閾值后才啟動下個周期，從而起到過流保護的作用[2]。

1.2 基于COT 架構的具備溫度補償的雙閾值過流保護電路

圖1 基于COT 架構的傳統過流保護電路

本文針對基于COT 架構的傳統過流保護電路存在的發熱、功耗大等問題提出了可實現溫度補償的雙閾值過流保護電路設計方案，可定時調整過流門限。門限ITH1和常規過流門限相等，目的是避免穩態時誤觸發，起到短時過流保護作用，而門限ITH2更低，如果電路維持過流狀態的時間較長，則將門限從ITH1下調至ITH2，以快速減少輸出電流，維持更小的恒定電流，而且不會對軟啟動或負載波動時的電路運行產生影響。如果過流狀態消失，則結束恒流輸出保護。而對于傳統過流保護電路中導通電阻造成過流門限不精準的缺點，設計了針對門限電壓進行溫度補償的功能，起到抵消溫度變化對門限的影響。電源芯片SGND（信號地）和PGND（功率地）通過阻抗為10 Ω 的接合線相連，導通功率管時接合線有大電流流過，產生電壓差。

芯片內基準電壓Vref對應的是SGND（信號地），將其通過功率管M2、M3 構成的電流鏡轉至對應PGND（功率地）的電壓，經跟隨器Q1 進行溫度補償，得到電壓E，SW點、PGND（功率地）電壓差為功率管M4的導通壓降，電壓E、SW點電壓均對應PGND（功率地）電平，便于判斷是否存在過流。如果芯片包含功率MOSFET 開關，發熱量較大。那么，OCP 門限應具備負溫度特性，溫度與門限成正比，與輸出電流最大值成反比，有助于MOSFET 開關散熱。

2 基于COT 的具備溫度補償的雙閾值過流保護電路子模塊設計

2.1 定時器電路設計

常見的模擬定時器通過恒流充電電容達閾值后，通過對比比較器參考電位，獲得過流邏輯標志位，但由于模擬定時器有電容，芯片面積較大，而數字定時器的工作原理是通過時鐘信號計數實現定時功能，從而使芯片更小。本次研究的過流保護電路沒有專用的時鐘信號，是將比較器的輸出作為時鐘信號。

計數子模塊count 模塊中A 和B，Y 和Z 分別是反向邏輯關系，每個count 模塊需要經過兩個脈沖周期完成一次輸出周期變換。由于本次設計的過流保護電路中用比較器輸出作時鐘信號，可以測量得到每個計數點通過兩個過流輸出來完成一個輸出周期。為了計數使用了7 個計數模塊。而且最后一個計數模塊僅使用脈沖周期的一半。用于統計過流狀態的循環數為960。

清零操作之后，SR 鎖存器鎖定清零狀態，待第二次測得過流再通過鎖存器置位實現再次計數。處于過流狀態的芯片因異常消除而退出過流狀態，此時系統需要進行如下動作。

確定是否真的退出過流，確認后清零過流計數，準備下次計數。

如果仍然測得過流，則過流計數模塊繼續計數。

2.2 比較器電路設計

不同的輸入輸出條件對應不同的電路電感以及不同的電感電流降斜率，因此，需要比較器精度滿足要求，避免失調電壓過大導致過流門限偏差過大，如果比較器相應速度太慢同樣會導致造過流門限偏差過大。因此，本文設計了一種高精度，高相應速度的比較器電路。

在模/數轉換器ADC 中常用具備鎖存結構的比較器，輸出級由MNS、MN6 構成的正反饋實現輸出翻轉加速，通過時鐘信號恢復、鎖存。要想提高比較器精度就必須提高其增益，提高增益由多種方式，如套筒式結構、放大器級聯等，但是在實際應用中要考慮到延時，因此，本次設計選用放大器級聯方式實現高增益[3]。

2.3 運算放大器設計

過流保護電路中運算放大器的性能要求不高，只要增益高于65 dB，相位裕度高于65°即可。運算放大器為閉環應用，相位裕度高于65°是為了在響應速度、環路不震蕩中獲得平衡。如果輸入電壓為1 V，則由跟隨器處理使電壓偏差最大不超過1 mV，而通常在溫度的影響下基準電壓偏差可達幾毫伏，這說明本文提出的驅動電路跟隨器符合要求。AMP1 可控制場效應管達到調節電阻、電壓的目的，AMP2 用于跟隨器，因為輸入電壓變化很慢，所以對響應速度要求不高，因此，運算放大器可以用輸入差分式放大器，并通過電容進行補償。

2.4 溫度補償電路設計

功率管導通電阻溫度系數為正數，因此參考電壓也必須有一定的溫度系數才能降低導通電阻對溫度系數的影響，以保持過流閾值穩定。最方便的溫度補償實現方式是用BJT 的VBE，其值負溫度特性很強，線性度比較好。用Q1 作為跟隨器，負溫度參考電壓減去負溫度系數VBE 可以得到正溫度系數參考電壓，這樣的電路設計簡單，但只能補償一個VBE 電壓溫度系數。通過溫度系數電流進行補償，功率管M1 和M2，M3 和M4 分別組成電流鏡，比例分別為k1、k2，兩種溫度系數對應的電流分別為I1、I2，則電阻R1電壓Vr：

通過調節電流鏡比例系數k1、k2可獲得不同溫度系數對應的電壓Vr，以增加溫度補償范圍，但需要相應的電流工藝偏差極小，以免電流偏差和電阻偏差造成電壓Vr隨著電流工藝的變差而產生較大變差，最終影響門限的精準性。

3 結論

本文介紹了基于COT 架構的過流保護方法，分析了基于COT 的具備溫度補償的雙閾值過流保護電路子模塊設計，以供參考。