一种负荷阈值可配置电源保护装置的设计与实现

 随着集成电路工艺的不断发展，如今集成电路已从数千门发展到现在的百万门、千万门级的水平，多层电路板、表面安装器件、多芯片模块等组装工艺的应用使得电路组装形式更趋微型化。随着芯片集成度和布线密度的不断提高，电路板上发生短路、短路等互联故障的可能性大大增加。据统计，互联故障已占整个电路板故障的半数以上。因此在电子设备的生产和维护阶段，电路板测试成为了非常重要的环节。

而在测试阶段，为了保证不对产品造成伤害，合理的保护电路就显得尤为关键。而在测试系统中，针对不同供电的板卡，不同功耗的板卡，保护阈值是随着板卡的不同而变化的，这就要求保护电路在阈值配置方面实现智能化。开关电源保护方法有多种，大多都是过流阈值固定的，或是新型的用于低压差线性稳压器(LDO)的过流保护方法，或是通过脉宽调制(PWM)实现过流保护。文中提出了一种有效的负荷可配置的、可程控解除过流锁定的电源保护装置的设计方法。

1 设计背景

在测试工装系统中，对待测板卡(UUT)上电是必要的，随之，加入过流保护装置保护待测对象不被烧毁也是必要的。而在兼容测试多种UUT的系统中，对于不同的待测对象(UUT，unit under test)，供电电压不同，输入电流不同，这就对过流保护装置的阈值提出了智能化可配置的要求。

根据以上要求，我们采用比较的方式设定不同的电压来实现不同的过流阈值，进而控制回路的通断。设计的结构框图如图1所示。


2 信号采集与仪表放大

待测对象供电电压范围在5～48 V，电流采样部分本设计采用了TI公司的，INA168(高侧测量电流并联监视器)，此芯片为电流输出，需通过电阻转换为电压信号，INA168的基本电路与内部结构如图2所示。

可见，输出电压与回路电流Is、采样电阻RS及RL有关，具体关系如下：
VD=ISRSRI／5 kΩ
本设计中，RS选用0．18 Ω，1％，最大功耗1 W，YAGEO品牌的封装2512的电阻作为采样电阻(shunt)，待测回路电流最大为2 A，但还不足以确定RL的值，还需根据比较电压范围来确定参数VO的范围。

3 可配置阈值输出

电压比较部分是将INA168输出的电压VO与某一个阈值电压做比较，输出一个或高或低的电压，进而控制MOS管的通断。而实现此阈值的智能可配置也就实现了过流保护装置的可配置。问题转变成了可调直流电压的输出。此电压不需大的输出电流对驱动能力没有要求，只做为比较器的输入，因此，我们可以用DA来实现此阈值电压的输出。DAC选用TI公司的DAC8554，4通道，SPI接口，16位数模转换器。5 V供电，电压参考芯片采用Intersil的ISL21009BFB825Z，提供2．5 V的参考电压。电压参考部分电路如图3所示。

选定了电压参考为2．5 V，那么就可断定，电压阈值的范围就应在0～2．5 V，那么VO的输出也应控制在2．5 V以内，因此本设计将RL选定为34．8 KΩ。控制DAC8554的单片机选用飞思卡尔的MC9S12DT128，接口电路如图4所示。

MC9S12DT128的PH口的PH1-PH3口用做SPI功能。

4 电压比较与MoS管控制

电压比较部分本设计选用了TI公司的LM293，电压比较电路与MOS管控制电路如图5所示。

图中比较器同向输人端连接INA168输出的电流采样电压VO；反向输入端连接DAC8554输出的配置好的阈值电压VAOUT。

若VO<VAOUT，即，电流采样电压在阈值范围之内，比较器输出近似0 V，通过反向施密特触发器74HC14DR，输出高电平，光耦关断，PNP三极管导通，MOS管处于导通状态；若VO>VAOUT，电流采样电压超出阈值范围，比较器输出为+5 V，经过反向施密特触发器，输出低电平，光耦导通，PNP三极管关断，MOS管也处于关断状态。由此实现了过流保护的目的。而VAOUT是由DAC8554输出，可自由调控，也就实现了可配置过流阈值的目的。

5 自锁电路

回路过流后，MOS管自动关断，回路瞬间处于无电流状态，INA168采集到的信号为无电流状态，MOS管在关断后会跳变回导通状态，因此本设计需要一个自锁电路，在保证MOSFET关断后不会重新打开。
实现方法如图6所示。

图中，用一个开关J2代替了MOSFET来做仿真，J1为一个自锁电路的开关，J1闭合，即J1电平为低时，自锁电路工作。比较器LM293输出的为高电平时，闭合J1，即置J1为低电平，自锁电路开始工作，J2一旦断开，即比较器输出为低电平，只要一直保持闭合状态，即使J2闭合，比较器输出也为低，这样就能保证过流的回路切断后，在没有电流的状态也能保证NOSFET一直处于关断的状态。

电路自锁后，可通过J1来接触自锁，将J1断开，即置J1为高电平，可接触自锁。在回路有电流通过时闭合J1，即置J1低电平，电路将处于初始化状态。这里，J1可用一路DO信号代替，程控自锁电路的开关。