电路保护中的欠压/过压闭锁实用巧设计
在电子设备的实际应用中，可能会遇到输入电压不稳的情况。例如使用电池的便携式设备应用，输入电压vin可能很难保持非常稳定。为了防止电压过低或过高影响后续电路，有时有必要增加欠压/过压闭锁设计。
欠压闭锁(uvlo)/ 过压闭锁(ovlo)两个概念的定义如下：
• 欠压闭锁(uvlo)，输入电压达到某一阈值，后续电路导通，可防止下游电子系统在异常低的电源电压下工作。
• 过压闭锁(ovlo)，输入电压超过某一阈值，后续电路断开，可保护系统免受极高电源电压的影响。
本文与大家探讨，如何使用比较器来实现欠压/过压闭锁，并利用电阻分压器调整电源欠压和过压闭锁阈值，同时通过引入迟滞设计来提高整个电路抗噪声能力。
欠压闭锁 **(uvlo) **电路设计
如下图所示，为了实现欠压闭锁(uvlo) 电路设计，我们需要：
• 一个比较器
• 一个基准电源vt
• 一个功率开关（比如mos管）
• 分压电阻，用来调节阈值
图1：电阻分压设计中的欠压闭锁电路（图片来源：adi）
（公式1）
当输入电压从0 v开始上升到uvlo阈值电压之前，功率开关保持断开状态；超过uvlo阈值电压，功率开关导通，整个电路正常工作。
欠压闭锁 **(uvlo) ** +过压闭锁(ovlo)电路设计
与使用两个电阻串联相比，三个电阻串联可设置欠压和过压闭锁阈值。
图2：欠压闭锁(uvlo) + 过压闭锁(ovlo)电路设计（图片来源：adi）
如上图所示，两个比较器输出连接到逻辑与门，逻辑与门再连接功率开关。
（公式2）
（公式3）
当输入电压从0v到uvlo阈值电压，电路断开；从uvlo阈值电压到ovlo阈值电压，电路导通；超过ovlo阈值电压，电路断开。
n 功率开关的选择：n沟道mos****管vs.p沟道mos管
在欠压/过压闭锁设计中，功率开关可以使用n沟道或p沟道mos管来实现。
使用n沟道mos管作为功率开关时，会有一个小问题, 如下图所示：
图3：使用n沟道mos管，作为欠压闭锁电路功率开关（图片来源：adi）
当栅极(g)电压为低电压（例如：0 v）时断开（高电阻）。当栅极(g)电压为高电压时导通，为了完全导通（低电阻）n沟道mos管，栅极(g)电压必须比源极电压(s)高出mos管阈值电压。
而导通时，mos管源极(s)与漏极(d)电压一致，也就是要求栅极(g)电压必须比电源电压高出mos管阈值电压。因此，这需要使用电荷泵来解决这个问题。
当然，使用一些专用的欠压/过压保护芯片——如ltc4365、ltc4367和ltc4368——它们集成了比较器和电荷泵。可驱动n沟道mosfet，同时静态功耗较低。
p沟道mosfet不需要使用电荷泵，但栅极电压极性相反；也就是说，低电压时开关导通，而高电压时断开p沟道mos管。
带有迟滞功能的欠压闭锁电路/欠压闭锁电路
对于上面的应用，如果输入电压上升缓慢并且有噪声，或者在电池的应用场景中，电池本身的内阻导致电压随着负载电流变大而下降，比较器输入电压可能会在阈值电压附近波动。
为了避免这种类型的波动导致电路的反复振荡，需要引入迟滞来避免这种振荡。比如使用有磁滞的比较器，或者加一些被动器件来实现磁滞功能，从而提高比较器抗噪声能力。
如下图所示，欠压闭锁电路中，在比较器的正输入与输出之间增加一个电阻（r h ），来实现延迟。
图4：带有迟滞功能的欠压闭锁电路 （图片来源：adi）
根据计算可以得出：
· 上升沿时，（公式4）
· 下降沿时，（公式5）
举个直观的例子，假设v t =1v, r t =10 × r b ：
· 不加rh时，则上升和下降阈值为11 v（带入公式1）。
· 增加rh = 100 × r b ，则上升输入阈值为11.1v（带入公式4），下降阈值为10.09v（带入公式5）；也就是说，迟滞为1.01v。注意该方法对ovlo无效。
如果过压ovlo需要带有迟滞功能，该如何实现呢？增加迟滞的另一个方法是，可以加一个开关来改变底部电阻有效值。
图5：带有迟滞功能的欠压/过压闭锁电路 （图片来源：adi）
如上图：
· 上升沿时，
· 当vin高于阈值之后，比较器低电平输出，断开m1, 从而使rh与整个电路断开
· 下降沿时，
该方法在欠压闭锁电路和过压闭锁电路中均可使用。
n 带磁滞功能****的比较器
要实现磁滞功能，一种简便的方法是直接使用带磁滞功能的比较器。
可以在digi-key筛选器中，在类型栏中选择“窗口”，即是带磁滞功能的比较器。（digi-key带磁滞功能比较器）
图6：在digi-key网站中搜索带磁滞功能比较器
这类比较器会针对上升输入（例如：v +窗口宽度/2）和下降输入（例如：v - 窗口宽度/2）提供不同的阈值。
图7：带磁滞功能比较器的输入输出关系（图片来源: adi ltc1042cn8#pbf数据手册）
本文小结
基于比较器的相同控制电路，利用电阻分压器，可以轻松实现欠压和过压电路设计。面对电源噪声，可以使用带有迟滞功能的比较器，也可以调节反馈来实现迟滞功能，以防止电源超过阈值时出现电源开关打开和关闭颤振。
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• 过压闭锁(ovlo)，输入电压超过某一阈值，后续电路断开，可保护系统免受极高电源电压的影响。
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欠压闭锁 **(uvlo) **电路设计
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• 一个比较器
• 一个基准电源vt
• 一个功率开关（比如mos管）
• 分压电阻，用来调节阈值
图1：电阻分压设计中的欠压闭锁电路（图片来源：adi）
（公式1）
当输入电压从0 v开始上升到uvlo阈值电压之前，功率开关保持断开状态；超过uvlo阈值电压，功率开关导通，整个电路正常工作。
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在欠压/过压闭锁设计中，功率开关可以使用n沟道或p沟道mos管来实现。
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图3：使用n沟道mos管，作为欠压闭锁电路功率开关（图片来源：adi）
当栅极(g)电压为低电压（例如：0 v）时断开（高电阻）。当栅极(g)电压为高电压时导通，为了完全导通（低电阻）n沟道mos管，栅极(g)电压必须比源极电压(s)高出mos管阈值电压。
而导通时，mos管源极(s)与漏极(d)电压一致，也就是要求栅极(g)电压必须比电源电压高出mos管阈值电压。因此，这需要使用电荷泵来解决这个问题。
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