看一看-电源短路保护的验证方式

只看该作者 · 2023-10-29 20:09

本帖最后由 kk的回忆于 2023-10-29 20:25 编辑

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产品设计中，会使用下面的一种电源架构，开关电源设计完成后，输出给多负载使用。尤其是有线束连接的产品。就有各种短路的风险，为了防止单一负载短路故障后，整个电源系统不至于宕机，就需要用到短路保护器件或者短路保护电路，一般最常用到的器件就是负载开关。

作为硬件工程师，选型负载开关是很容易的，在半导小芯上搜索负载开关，各种型号都有。

负载开关的使用也很方便，以5V举例说明。之前用过矽力杰的SY6896，保护速度也很快。电路用起来也简单，放一些输入输出电容，反馈电阻和电流限制电阻之类的，很快就能完成原理图的设计

对这款负载开关实际测试过，下图是测试的实际波形。绿色波形是输入5V, 黄色波形是输出5V，蓝色波形是LDO降压后的3.3V。

通过实测波形可以看出，在短路的瞬间，输入5V经过LDO降压后的3.3V波动比较多，3.3V已经跌落到2.4V，如果此时后级MCU承受不了这么低的电压，MCU就会死机，造成整个系统的宕机。所以选型负载开关的时候，一定要注意这个响应速度。

在选型的时候发现，负载开关的输入电压范围都不少很大，输入电压超过20V的IC选择范围就很少，而且限流范围也不大。如果实际电路的工作电压是30V乃至以上，芯片实际很难选择。

通过查看负载开关的内部框图，了解负载开关的主要工作原理：电流采样单元检测流过功率MOS的电流大小，超过一定限制，就关闭功率MOS。小于限定电流，就打开功率MOS；

在这个基本工作原理的基础上，实际是可以通过分立件器件来搭建的，然后也来理解下芯片内部的工作逻辑。要不然做硬件就只能是datasheet的搬运工。说干就干，先用仿真验证下，思路是否可行的；短路保护的核心，需要电流采样，随后主功率MOS关闭，
设计了下面的电路图，一个电流采样，一个功率MOS关闭；下图中INA280的电流采样芯片，放大倍数是100倍。设定保护电流是10A, INA280转化后的电压就是1V，Q3和Q4组成的是一个自锁电路，当10A的OCP点触发后，就可以动作，保证Q2是恒定的高电平，此时主功率MOS-M1就会自动关闭，即使短路消除，也是不会开启。当然这个电路不能像负载开关芯片一样，短路事件消除后，又可以自动输出电压。

从仿真来看，这个电路是可以实现目的。马上去嘉立创打了一块板子回来验证下，但是现实很骨感，根本保护不住，下图是根据电路板测试的波形。红色是电流检测单元INA280的输出电压，绿色是LDO输出3.3V，蓝色是Q1的基级电压，由高变低，表示功率MOS-M1关闭;
在24V负载短路的瞬间，尽管电流检测单元INA280将电流检测出来了，电路的3V3电压在跌落，低落到只有2.1V左。而且持续时间还比较长。就造成了MCU宕机。细心的朋友应该发现，后面绿色的3.3V电压又起来了，那应该电源系统可以恢复正常? 3V3恢复起来是因为，我只短路了一瞬间，电路板上面我在输入60V的位置用了50uF左右的电解电容，短路事件消除后，电解电容有电，就可以重新上电，但是MCU程序还在boot中，需要等待按键指令，然后才会发出keep power on的指令，打开上述框图示意的电源控制电路，让整个系统完整上电。当然没有按键指令，电解电容的电用完后，整个系统还是宕机。这个分析过程有些长，实际时间就在1-2秒就结束了；

从这个结果来看，还是觉得是响应不及时，再仔细研究负载开关芯片内部框图显示，采样电阻在功率MOS前面，发生过流事件了马上执行。同时在电路上，再加一个保险：将采样电阻的电压信号并联到MOS管的GS之间，只要过流事件发生，马上短路GS，就立刻关闭功率MOS，然后再通过自锁电路，锁死整个电路。这次为了省点钱，没有用INA280，改用普通的LM358做了一个差分运放，检测电流，功能也是可以用的。新修改后的原理图如下图。

随后通过仿真查看效果，可以看出再短路的时候，输入24V电压波形很小，基本没有什么变化，那么后级的3V3也不会波动，设计应该是成功的；

马上修改下layout，再次打样，嘉立创打样速度快，验证就效率高：

这次没有再出意料之外的事情，短路事件发生后，整个系统没有变化，还是维持之前的状态，无论是工作中突然短路，还是开机前就短路，都可以实现保护功能。通过示波器测试，看到24V和5V电压都在抖动，但是短路变化的时间很短，都是ns级别，即使电压跌落，也没有引起MCU的宕机。这个应该是和我短路的手法有关系，我是用两根线碰触短路的方式进行试验，在这个过程有多次毛刺触碰，引起电压的震荡。
在这个验证过程还有个小插曲，运放使用的是LM358，这个并不是轨到轨的。使用5V供电，运放的输入端共模输入电压过高，超过了spec的要求，运放就不能工作的。当运放工作电压是5V的时候，即使没有电流流过采样电阻，此时差分运放会随机输出3V左右的电压。整个电路也就无法按照设计的思路工作。最后将运放电源也使用24V才能工作，当然这个不是设计的本意，实际要用这个电路的时候，可以改为轨到轨的电路。电路的各个地方都是细节，需要考虑的。