智能功率开关电源IC设计

      3.5 热关断电路

      热关断电路如图6所示。正常情况下T ＝25℃，Vz＝6.3V，V BE1＝0.75V，VBEH=0.65V，此时 VH = R3 ( Vz -VBE1) / (R2+R3)=0.43V< VBEH

 
 
 
      故Q1不导通，从而Vout 为高电平。

      故障状态，稳压管的温度系数为正，而晶体管的VBE 为负温度系数。设计的温度保护能力(当T＝150℃)为

      同样计算可得VH(150℃)＝0.46V，这样Q 2 导通，Vout为低电平。此信号直接关断功率MOSFET。同时这个脉冲信号也输入到1/8分频器，做计数用。

      3.6 高压启动电路
 
      高压启动电路如图7所示，当IC上电后，整个IC处于建立工作环境的状态。VDMOS的栅极为高电平，则该管导通，Out端有充电电流。当 Vcc达到8.6V时，过压保护电路送来信号 Vstart为一低电平，使得P2导通，这样VDMOS截止。另外 R1的作用是充电电流过大时，使P1、Q1导通，使 VDMOS截止，起到保护作用。此充电电流能力设计值为3mA，超过该值，VDMOS就会截至。根据计算，整个IC建立工作环境所需的时间为40ms，与实际仿真结果相符。
 

       3.7 驱动电路

       设计驱动电路的目的是为了去除驱动信号的毛刺和对功率MOSFET的栅极起保护作用（图8）。正常时，N1、N2、N3都处于截止状态。当电路内部电源电压Vcc由低电平突然变为高电平时，电容C两端电压不能突变，这样N1导通，使输出为0。另外当IC突然上电时，由于功率MOSFET的栅漏电容的存在，使栅极的电压为高电平，但是由于设计中加了电阻 R和N3的存在，对栅极构成旁路，起到保护作用。最后就是如果IC突然断电时，则功率管漏极没有大电流供给。如果此时驱动为高电平，则可以从 R上卸流，最终使低电平变低。总之，N1、N2、N3对功率MOSFET 的栅极起保护作用。

       3.8 前沿消隐电路

       前沿消隐电路如图9所示。正常时，A点电压较低，2管导通，则C2输出为高电平；故障时，也就是功率MOSFET的电流过大时，A点电位升高，使得2管关闭，这样C2输出为低电平，出现故障脉冲。值得一提的是，2管的栅极输入信号和它的源极输入信号不是同步的，这样设计的好处是可以避免短暂时间内电流过大的情况。若电流一直很大，则可以发挥前沿消隐作用。这两个信号的延时大小由几级反相器和电容构成，其中以电容的贡献最大，其设计延时时间为200ns。

 
       4 仿真结果

       仿真过程中，着重对正常运行、过压、欠压、过流、过载等情况做了分析。图10中模拟了负载变化时功率MOSFET输出的变化情况。最下面一条波形为负载情况经过光耦合和低通滤波器后的电压，中间一条波形为IC内部电压 Vcc信号，最上面一条波形为功率MOSFET栅极上的驱动电压信号。可以看出，由于充电，Vcc不断增加达到8.6V时便不再增加（过压保护电路起作用），IC开始工作。当负载逐渐变小时，引起反馈电压升高，使得反馈到IC的信号增大，其功率MOSFET栅极的驱动电压的占空比减少，最终为0。

 
       图11中模拟了IC内部电压发生异常时的情况。最下面一条波形为功率MOSFET的栅极驱动电压，中间一条波形为自动重启动电路的工作信号（Vstart），最上面一条波形为IC内部电压 Vcc信号。可以看出，当Vcc 上升到8.5V时，自动重启动电路关闭，同时计数器开始计数，这时功率MOSFET 还处于工作状态。当Vcc 降低到7.5V时，自动重启动电路开始工作，对外接10μF电容进行充电。这样反复进行8次，在第九个周期时，功率MOSFET再次工作，符合最初的设计要求。

 
       5 结论

       本文设计了一种适用于便携式设备的功率开关电源的IC，通过对其功能及特性的分析，设计了各个子模块的电路，并对其进行了模拟仿真。结果表明，负荷调节灵敏、精确，各种保护电路动作及时可靠。