COT架构的过流保护电路设计

COT架构的过流保护电路设计

黎昱锋

深圳市供电局，广东 深圳 518000

摘要：本文介绍了基于COT架构的过流保护方法，分析了基于COT的具备温度补偿的双阈值过流保护电路子模块设计，以供参考。

关键词：COT架构；过流保护电路；设计

前言：

恒定导通时间（COT）控制是一种利用内部计时电路产生恒定导通时间，并将输出电压纹波与基准电平进行比较来产生关断信号，从而得到脉宽调制波的控制方式。自适应导通时间（AOT）控制则是对COT控制的改进，将输入电压Vin与开启时间建立线性关系，导通时间随Vin的增加而减少，从而使得开关频率在Vin变化时也可以保持相对稳定。传统的COT架构在输出电流过大时一般采用恒流输出方式，限制最大输出电流。若系统较长时间处于过流状态，则功耗较大且发热较多。

一、COT架构的过流保护方法

1.COT架构的传统过流保护电路

电路基本原理是：正常情况下电路中的OCP比较器输出逻辑高电平，不影响回路，金氧半场效晶体管开关状态由脉宽调制（PWM）比较器控制。如果电路当电流超过预定最大值（过流）时，上功率管导通电阻后压降超出阈值，此时OCP比较器输出逻辑低电平使脉宽调制（PWM）比较器控制金氧半场效晶体，驱动上管关断，下管开启，待电流低于阈值后才启动下个周期，从而起到过流保护的作用。

2.COT架构的具备温度补偿的双阈值过流保护电路

本文针对基于COT架构的传统过流保护电路存在的发热、功耗大等问题提出了可实现温度补偿的双阈值过流保护电路设计方案，可定时调整过流门限。门限I_TH1和常规过流门限相等，目的是避免稳态时误触发，起到短时过流保护作用，而门限I_TH2更低，如果电路维持过流状态的时间较长，则将门限从I_TH1下调至I_TH2，以快速减少输出电流，维持更小的恒定电流，而且不会对软启动或负载波动时的电路运行产生影响。如果过流状态消失，则结束恒流输出保护。而对于传统过流保护电路中导通电阻造成过流门限不精准的缺点，设计了针对门限电压进行温度补偿的功能，起到抵消温度变化对门限的影响。电源芯片SGND（信号地）和PGND（功率地）通过阻抗为10Ω的接合线相连，导通功率管时接合线有大电流流过，产生电压差。

芯片内基准电压Vref对应的是SGND（信号地），将其通过功率管M₂、M₃构成的电流镜转至对应PGND（功率地）的电压，经跟随器Q1进行温度补偿，得到电压E，SW点、PGND（功率地）电压差为功率管M₄的导通压降，电压E、SW点电压均对应PGND（功率地）电平，便于判断是否存在过流。如果芯片包含功率MOSFET开关，发热量较大。那么，OCP门限应具备负温度特性，温度与门限成正比，与输出电流最大值成反比，有助于MOSFET开关散热。

二、基于COT的具备温度补偿的双阈值过流保护电路子模块设计

1.定时器电路设计

计时电路有两种实现方式：数字计数，模拟定时。时间较短的计时，可以采用触发器构成的计时电路，对开关周期进行计数，实现计时。当计时时间较长，或精确度不高时，则采用模拟计时。本次研究的过流保护电路没有专用的时钟信号，是将比较器的输出作为时钟信号。计数子模块count模块中A和B，Y和Z分别是反向逻辑关系，每个count模块需要经过两个脉冲周期完成一次输出周期变换。由于本次设计的过流保护电路中用比较器输出作时钟信号，可以测量得到每个计数点通过两个过流输出来完成一个输出周期。为了计数使用了7个计数模块。而且最后一个计数模块仅使用脉冲周期的一半。用于统计过流状态的循环数为960。清零操作之后，SR锁存器锁定清零状态，待第二次测得过流再通过锁存器置位实现再次计数。处于过流状态的芯片因异常消除而退出过流状态，此时系统需要进行如下动作。

确定是否真的退出过流，确认后清零过流计数，准备下次计数。如果仍然测得过流，则过流计数模块继续计数。

2.比较器电路设计

不同的输入输出条件对应不同的电路电感以及不同的电感电流降斜率，因此，需要比较器精度满足要求，避免失调电压过大导致过流门限偏差过大，如果比较器相应速度太慢同样会导致造过流门限偏差过大。因此，本文设计了一种高精度，高相应速度的比较器电路。在模/数转换器ADC中常用具备锁存结构的比较器，输出级由M_NS、M_N6构成的正反馈实现输出翻转加速，通过时钟信号恢复、锁存。要想提高比较器精度就必须提高其增益，提高增益由多种方式，如套筒式结构、放大器级联等，但是在实际应用中要考虑到延时，因此，本次设计选用放大器级联方式实现高增益。

3.运算放大器设计

过流保护电路中运算放大器的性能要求不高，只要增益高于65 dB，相位裕度高于65︒即可。运算放大器为闭环应用，相位裕度高于65︒是为了在响应速度、环路不震荡中获得平衡。如果输入电压为1 V，则由跟随器处理使电压偏差最大不超过1 mV，而通常在温度的影响下基准电压偏差可达几毫伏，这说明本文提出的驱动电路跟随器符合要求。AM

_P1可控制场效应管达到调节电阻、电压的目的，AMP2用于跟随器，因为输入电压变化很慢，所以对响应速度要求不高，因此，运算放大器可以用输入差分式放大器，并通过电容进行补偿。

4.温度补偿电路设计

功率管导通电阻温度系数为正数，因此参考电压也必须有一定的温度系数才能降低导通电阻对温度系数的影响，以保持过流阈值稳定。最方便的温度补偿实现方式是用BJT的VBE，其值负温度特性很强，线性度比较好。用Q1作为跟随器，负温度参考电压减去负温度系数VBE可以得到正温度系数参考电压，这样的电路设计简单，但只能补偿一个VBE电压温度系数。通过温度系数电流进行补偿，功率管M₁和M₂，M₃和M₄分别组成电流镜，比例分别为k₁、k₂，两种温度系数对应的电流分别为I₁、I₂，则电阻R₁电压Vr：

Vr=(k₁I₁+k₂I₂)R₁

通过调节电流镜比例系数k₁、k₂可获得不同温度系数对应的电压Vr，以增加温度补偿范围，但需要相应的电流工艺偏差极小，以免电流偏差和电阻偏差造成电压Vr随着电流工艺的变差而产生较大变差，最终影响门限的精准性。

结束语：

本文研究了基于COT架构的Buck变换器的过流保护电路，Buck变换器是一种结构相对简单，实用性好的DC/DC降压变换器，其过流保护电路作为电源管理芯片的关键组成部分，主要任务是避免电路发生短路输或负荷过大，导致电子器件损坏。本文提出了具备双阈值、定时阈值、温度补偿功能的过流保护电路，并分析了定时电路、比较器及运算放大器等过流保护电路子模块的电路设计。

参考文献：

[1]奚冬杰.逐周期检测的COT过流保护设计[D].成都：电子科技大学，2016.

[2]高峡，冯全源.COT架构降压型变换器片上纹波补偿电路[J].微电子学，2016，46（5）：612-614.