設(shè)計目標(biāo)

設(shè)計說明

該過壓保護(hù)電路使用具有推挽輸出級的高電壓比較器來控制將電源連接到負(fù)載的 P 溝道 MOSFET。當(dāng)電源電壓超過過壓閾值 (V_OVER) 時，比較器的輸出變?yōu)楦唠娖?，并通過打開 P 溝道 MOSFET 將負(fù)載與電源斷開。同樣，當(dāng)電源電壓低于 V_OVER 時，比較器的輸出為低電平并將負(fù)載連接到電源。

設(shè)計注意事項

1. 選擇具有推挽輸出級的高電壓比較器。
2. 選擇低于電源最低工作電壓范圍的基準(zhǔn)電壓。
3. 計算電阻分壓器的值，以便在比較器的輸入 (+IN) 達(dá)到比較器的基準(zhǔn)電壓時產(chǎn)生臨界過壓電平。
4. 限制 P 溝道 MOSFET 的源極-柵極電壓，使其保持低于器件的最大允許值。

設(shè)計步驟

1. 選擇具有推挽輸出級、能夠在最高可能電源電壓下工作的高電壓比較器。在該應(yīng)用中，最高的電源電壓為 36 V。
2. 確定過壓檢測電路的相應(yīng)基準(zhǔn)電平。由于電源的最低工作電壓為 12 V，因此選擇 10 V 齊納二極管 (Z₁) 作為基準(zhǔn) (V_REF)。
3. 通過考慮最小偏置電流來計算 R3 的值，以保持 Z₁ 電壓穩(wěn)定在 10V。使用最小偏置電流 100μA 以及最小電源電壓 12V。
   ${\mathrm{R}}_3=\frac{\mathrm{電源} \left(\min \right)-{\mathrm{V}}_{\mathrm{ZENER}}}{{\mathrm{I}}_{\mathrm{BIAS}} \left(\min \right)}=\frac{12\mathrm{V}-10\mathrm{V}}{100\mathrm{\mu A}}=20 \mathrm{k\Omega }$
4. 計算所需的電阻分壓器分壓比，以便在電源升至 30 V 的目標(biāo)過壓電平 (V_OVER) 時比較器的輸入 (+IN) 超過基準(zhǔn)電壓 (10 V)。
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{REF}}={\mathrm{V}}_{\mathrm{OVER}}\times \left(\frac{{\mathrm{R}}_2}{{\mathrm{R}}_1+{\mathrm{R}}_2}\right)$
   $\left(\frac{{\mathrm{R}}_2}{{\mathrm{R}}_1+{\mathrm{R}}_2}\right)=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{REF}}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{OVER}}}=\frac{10\mathrm{V}}{30\mathrm{V}}=0.333$
5. 選擇 R₁ 和 R₂ 的值，從而通過使用以下公式或使用在線工具“分壓器計算器”生成 0.333V 的電阻分壓器分壓比。
   如果使用以下公式，則在 100kΩ 范圍內(nèi)選擇 R₂ 值并計算 R₁。在該示例中，為 R₂ 選擇了值 100k。
   ${\mathrm{R}}_{{}_1}={\mathrm{R}}_2\left(\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{OVER}}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{REF}}}-1\right)=100 \mathrm{k\Omega } \left(\frac{30\mathrm{V}}{10\mathrm{V}}-1\right)=200 \mathrm{k\Omega }$
6. 請注意，應(yīng)用電路中使用的 TLV1805 具有 15 mV 的遲滯。這意味著當(dāng)電源上升時，實際開關(guān)閾值將比開關(guān)閾值 (VREF) 高 7.5mV；當(dāng)電源下降時，實際開關(guān)閾值要低 7.5mV。在直流仿真曲線中最容易看到遲滯結(jié)果。由于電源通過電阻器以系數(shù) 3 進(jìn)行分壓，因此對電源開關(guān)閾值的凈影響是該值的 3 倍。
7. 驗證通過電阻分壓器的電流是否至少比比較器的輸入偏置電流高 100 倍。電阻器可以具有高值，以最大程度地減小電路中的功耗，而不會使電阻分壓器的誤差顯著增加。
8. 選擇齊納二極管 (Z₂)，限制 P 溝道 MOSFET 的源極-柵極電壓 (V_SG)，使其保持低于器件的最大允許值。P 溝道功率 MOSFET 通常具有 20 V 的 V_SG 最大值，因此從源極到柵極放置一個 16 V 齊納二極管。
9. 計算限流電阻器 (R₄) 的值。當(dāng)電源上升至 16 V 以上并且 Z₂ 開始導(dǎo)通時，R₄ 會限制比較器輸出為低電平時其輸出的灌電流大小。當(dāng)標(biāo)稱電源電壓為 24V 時，灌電流限制為 80μA。
   ${\mathrm{I}}_{\mathrm{SINK}}=\left(\frac{\mathrm{電源} - {\mathrm{V}}_{\mathrm{Z}2}}{{\mathrm{R}}_4}\right)=\left(\frac{24\mathrm{V}-16\mathrm{V}}{100 \mathrm{k\Omega }}\right)=80 \mathrm{\mu A}$

設(shè)計仿真

直流仿真結(jié)果

瞬態(tài)仿真結(jié)果

參考資料：

1. 模擬工程師電路設(shè)計指導(dǎo)手冊
2. SPICE 仿真文件 SNOAA20
3. TI 高精度實驗室

設(shè)計特色比較器

設(shè)計備用比較器