前言

已经好几天了，实验室里夜里11点还是灯火通明，辛苦的研发工程师还在努力赶工，怎奈满心期待一次成功的样板(Demodoard)还是出问题了，唯一欣慰的是把代理商的FAE也找来一起解决问题，应该会比较快一点找到出错的地方吧！

天啊，好熟悉的画面跟场景。

Debug有时候真是一件痛苦的差事，有一些Bug是可以很轻易就找到，但是有些则不。在数位电路里大多数的失败是源自于逻辑讯号的错乱，除了电路功能不正常之外并不会有多么特别的症状；但是当有关电路的错误导致系统电源出错，则是有可能会带来严重的后果。因此在新一代的类比电源管理领域里，都需具有相当完善的保护功能，保护因电路错接或不当使用造成的失效问题。本文将就现代电源管理控制晶片里包含PWM DC/DC直流对直流转换器、LDO低压差线性稳压器以及USB保护开关里常见的保护机制，做一个简单的介绍。

PWM(脉波宽度调变)DC/DC直流转换器的保护机制

PWM中文为脉波宽度调变，在一般3C产品上有相当广泛的升降压应用，特性是具有高效率，稳定性高也可以提供较大的电流。最常见的地方是PC主机板上对CPU核心电压的提供以及任何需要高效率升降压的场合。

让我们很快的切入主题，在一般PWM的控制IC设计上，有许多对电路或对IC本身设计的保护装置，对电源电路的工作状况做安全性的防护措施。常见的保护有：

1.OCP(Over Current Protection)过电流保护

2.OVP(Over Voltage Protection)过电压保护

3.Power on Reset电源启动重置以及Soft start软启动

4.Power Good信号以及Fault电源错误信号

有些是针对在电源启动时的保护、有些则是侦测电源的使用状况。对电源的保护也分为直接中断电源提供，以及间接输出错误信号知会系统控制器(System Controller)的方式。以下是针对个别的保护机制所做的介绍。

OCP

传统上，为了要侦测电流的大小，通常使用的方法是在电源输出与负载之间串联一个电阻。一个标准固定值的电阻器放置于电源输出与负载之间，则流过电阻器的电流I会在电阻两端产生跨压V，遵循的是最基本的

V=I×R (1)

因此假设选择了一个0.1Ω的电阻，流过1.5A，则电阻上会产生150mV的压降，流过的电流越大则跨的电压越大。这时只需要一个装置可以来解读这一个压降大小，一个运算放大器或是比较器便是不错的选择，正常的时候比较器正端输入小于负端输入，比较器输出低电位；当流过电阻的电流I产生了压降V大于内部预设的参考电压VSET，则比较器输出高电位，这一个侦测结果可以提供给系统微控制器(uP)做参考，或者更直接的反应过电流保护的动作。

这一个方法乍看之下简单好用，但是隐忧却不少。多加一个电阻就多个成本，而且为不影响负载调整率(Load regulation)，势必得采用很小的电阻，而此时电阻的准确度以及侦测电流值的可信度又令人担心了，因此聪明的类比IC设计师便发展了一种可以节省成本又具有精确侦测电流的方法。如(图三)所示是一个典型的PWM降压电路，V1为输入电源，经过IC内部经过R对V1端抽取200uA的电流，得到V2电压在比较器的正输入端，

V2=V1-(200uA×R)(2)

同时，当PWM控制信号驱动的同时，电流ID由MOSFET的D端经过内阻RDS流向S端，也得到V3电压在比较器的负输入端，V3=V1-(ID×RDS(ON))( 3)

当MOSFET的D、S两端的电压(V1-V3)大于图三里R两端的的跨压(V1-V2)时过，即

(200uA×R)(4)"(ID×RDS(ON))(200uA×R)(4)

此时代表流过MOSFET上的电流过大，系统必须做出相关的回应，所以比较器输出一个高电位信号，表示已经电源转换回路里已有过电流发生。也许这样读者仍不明白，那么笔者假设图三里的R有1kΩ，MOSFET的RDS(ON)是50mΩ，内部基准电流仍为200uA，则将值代入(4)式，可以得到当ID大于4A时过电流保护启动。这当中的可选择的变数有R和RDS(ON)，若MOSFET型号已选定，则改变R值可以得到不同的过电流侦测值。

相较于传统的串联电阻式的过电流侦测，利用MOSFET内阻的侦测方式除了可相对节省成本之外，对电流侦测的准确度亦可大幅提升，特别是一些较大电流的需求例如主机板CPU的核心电压，高达30A以上的电流，一点点的串联电阻都是一段无法接受的压降。

OVP

相信这也是许多人的经验，电压不知怎么的就高了起来，心跳也跟着加速。而电压升高的也就代表了可能产生电流升高功率消耗变大或是超出耐压的问题，因此通常在PWM的控制器里设定了一个比输出电压高(通常115%)的参考电位，一旦检测出输出电压高于这个准位，则输出一个信号通知系统控制器做回应。之所以不一定直接中断电源供给，则是因为有些系统电源上下都还有20%误差，分压电阻或是回授电压的误差也有可能导致电压升高。

Power on Reset 与Soft Start

当电源打开的时候，输入电压由0V上升，Power on Reset电源启动重置的设计是当输入电压还没有上升到一定准位的时候，PWM控制器仍然处于静止的状态，而电压超过某一个合理或是安全准位时，PWM控制器才开始动作。读者心理可能想，假设预计要从12V降到5V则电源至少要升到5V 以上PWM开始动作，这样称之为合理准位。那安全呢？一般的降压架构里都会有一个MOSFET切换开关，以N-type MOSFET为例，G极电压要比S、D高大约3~4V才可以使得MOSFET完全打开，因此供给PWM控制器的VCC要够大，否则MOSFET在非开关区内做切换则会损耗相当多的热量，你被烫过吗？这就叫安全。

所以Power on Reset会比预期要降转的电压来源高大约3~4V，而一般最常见的降压来源多为5V，所以一般具有Power on Reset功能的PWM控制器，其准位多落在9 ~10V。

一旦IC的VCC经过Power on Reset准位而致能后，MOSFET驱动信号周期(Duty Cycle)全开，输出电压理所当然在短时间内会由0V直奔目标电压，于是此时输入电压透过MOSFET直通输出电容器，就像一个空空的大水桶，形同一个低阻抗的负载，把过快的瞬间上升电压滤掉。但是却会造成瞬间浪涌(Inrush)电流，有些开关不胜负荷在启动瞬间宣告阵亡。为了避免这样的状况发生，于是应用了软启动(Soft Start)的观念。一般是在PWM开始工作之后设定一段软启动区间，限制输出电压的上升斜率，如此一来可以避免了瞬间电流的发生。实际电压爬升的波形如(图四)所示，输出电压缓步上升，而且有些设计可以藉由外挂电容器的方式把启动时间加长。

Power Good与Fault Signal

为了要向系统反映电源的供给状况，某些PWM控制器也提供了表示电源正常的Power Good输出信号以及表示电源失效的Fault Signal信号输出。

(图五)所示为Power Good信号的产生，若是输出电压若在设定期望值的90%~110%之间，则 Power Good信号被设定表示电源状况良好。也许有读者又问了，那它到底有什么用处？笔者举个例子好了，在IAPC(Instantly Available PC)的控制信号中，除了代表系统睡眠深浅程度的#S0、#S3与#S5之外，Power Good也扮演着重要的角色，通知系统表示电源已经就绪，可以由待机#S5进入#S3或是全速运转的#S0。随着电源系统供给的多样化，这样的指示信号越来越有它存在的必要性。

另外提到的Fault信号是通知系统电源已经出现错误，无论是源自于输入端或是输出端的因素，则都由逻辑方块来处理，进行闩锁并冻结电源的输出。

谈完了PWM直流转换器的保护机制后，我们可以发现当电路出错的时候，这一些保护设计发生了作用后通常可以避免掉一些元件的牺牲或是无谓的困扰，假设您的产品在客户手上使用时忽然一阵轻烟带臭味飘出，感触想必特别深刻。

以上图表皆是参考自国内类比IC领导厂商沛亨半导体(AIC)的PWM控制IC族群，其一系列应用于主机板电源转换之三合一、四合一以及简易式的PWM控制器都具有相当完善的保护机制，读者若有更进一步的了解可自行前往http://www.analog.com.tw浏览。

电源转换方式​​不只一种，接下来我们要介绍的是低压差线性稳压器的保护机制。

LDO(低压差线性稳压器)的保护机制

PWM控制IC不​​但控制方式复杂，连保护方式也多样化。而低压差线性稳压器(以下称LDO)就显得简单许多，但即使事实是如此，LDO上所采用的保护措施可也不能少。

就我们所明白，LDO在电路上扮演着类似等效电阻的角色，串联于输入电压与输出装置之间消耗多余的功率，不过重点是它对输出负载提供一个稳定的电压来源。如(图七)所示，在LDO上所消耗的功率可由式子(5)得出：

PLS DO=I ×(VI-VO)(5)

还是举实际的例子好了，假设一个常见的​​应用：输入电压5V、输出电压3.3V、电流消耗1A，则输入端一共提供5W，输出端消耗掉3.3W，根据(5)式则其余1.7W则由LDO本身消耗掉，在输出入电压固定的条件下，LDO所要消耗的功率与输出电流成正比。有功率消耗就会产生热，过多的热累积散不掉就会对LDO本身造成伤害，因此过流保护Current Limit与过热保护Thermal Limit成为现代LDO所必备的设计考量。因为LDO的应用相当简单，所以我们就直接进入到IC内部的设计来讨论。

过流保护Current Limit

(图八)是一个现代LDO里面相当常见的Current Limit设计，Q4为主要输出晶体来控制负载电流的流过。因为比例式的设计使得流过Q3的电流会随着流过Q4的电流比例变化，当流过Q4的电流变大，Q3的电流的电流也会跟着变大。

Q2与Q3组合而成的电流镜(Current Mirror)结构,使得流过Q3的电流会等于Q2的电流:

IQ2=IQ3(6)

当IQ4电流达到设定准位时，Q2、Q3都变大，使得Q1导通，误差放大器会将输出电流钳制(Clamping)住，不让输出电流再加大。

过热保护Thermal Limit

LDO的应用里，热的累积又是另一恼人的问题。依照各种不同的封装种类，其散热能力也都不同，不过可以确定的当然是热产生之后累积在晶片上，若不是直接摧毁LDO本身，至少也会影响LDO的寿命。

在现代LDO的设计上，Thermal Limit的观念被应用在安全的观点上，电晶体Q的VBE是具有负温度系数的PN接面，当温度上升时导通电压跟着降低；而R设计成正温度系数，温度上升时电阻值上升。

当温度条件正常时，由IBIAS流过R的电流形成电压跨于电晶体Q的VBE两端，但是并不足以将Q打开；相反的当温度升高时，VBE下降，跨在R两端的电压上升，两组电压相互趋近，直到Q被导通了的那一点即为Thermal Limit的设定点。设计上当然是由选定的Thermal Limit点再来决定VBE及R的特性。

简单的LDO也有很大的学问，尤其是在功率消耗以及热的处理上某些时候显的棘手，属于类比电源管理的领域自然是沛亨半导体(AIC)专注的重心，该公司拥有各式工业标准品以及其特别发展出来一系列的LDO家族，也累积相当多有关LDO热处理的经验以及文件资料，读者不妨可以直接由其网站下载http://www.analog.com.tw 或寻求该公司工程师的协助。

USB保护IC

USB的演进里，传输速率由1.1版的12MB/s到2.0版的480MB/s，但是规范里制定电源分配供给的章节却没有变化。为了安全的因素，Host主控端以及自给电源Self-Powered的Hub都需要有过电流的保护装置，而Hub需要有管道可以侦测过电流并且将其回报给USB控制系统。而当过电流情况发生了，装置必须有能力将电流限制住并且不影响到其它USB下行(Downstream)埠Port，当过电流状况解除也​​有能力自行恢复供电。

此时以IC设计的保护开关Solid-State Switch便是最佳的选择。因为这些特别针对USB保护功能设计的电流开关通常具有：

*Current Limit过电流保护

*Thermal Limit过热保护

*UVLO低压侦测闩锁

*Chip enable以及Error Flag的输出

相较于Poly-Switch所采取的被动保护，IC式的保护开关提供了主动侦测而且绝对的安全特性，也是近来在USB保护的应用领域上设计师偏好Solid-State Switch的原因。以下笔者就上述的几项USB保护IC的特性做说明。

Current Limit

USB的规范里要求由汇流排取用电源的装置不得取用超过500mA的电流，而且接收到的电压最小得要有4.75V，向下一级USB装置的供应也要大于4.40V。因此在500mA的连续电流需求下，势必得取个安全的限流值，在标准上是大约0.75A~1.2A为最适当。

如(图十)所示的实验波形，当电流以一个斜率上升到限流点时，USB保护装置会将电流限在某一个值比如说图中所显现的1A，防止上游装置过多的电流被发生错误的下行埠抽取。而且当过电流状况解除后，输出电压也自行恢复至原先的正常准位。

Thermal Limit

在USB的应用里，温度与热也是主要关注的特性。正常的情况下当电流流过开关的时候，会产生些许的热，因为不是很大所以并不烦人。但是试想着当输出端发生过电流或是短路现象时，由过电流保护发生了作用将电流钳制在将近1A的准位，则根据功率消耗的公式为电压与电流的乘积来计算，将近有5W的功率损耗，而这样的功率损耗伴随的将是瞬间温度上升。

所以Thermal Limit的设计是当Junction温度达到设定温度(通常为110℃~150℃)，立刻切断电源供应，当温度降低约20℃或30℃后再重新打开电源开关。所以我们可以看到，当过温情况一直没有解除的话，输出电压会不断的循环开关，直到状况解除。

UVLO (Under Voltage Lock Out)

USB电源规范对上行(Upstream)下行(Downstream)的电压范围规定有一点复杂，但是出现过最小的电压是4.40V。所以当电源被接上，USB保护开关的电压由0开始上升后到达4.40V的这一段电压因为装置无法取用，为了安全的因素应该被隔离，所以UVLO的观念就被应用到USB的保护开关里来了。输入电压必须爬升到一定准位之后，开关才会打开，一般设定值没有一定，但常见为2.6V~3.0V；而当输入电压因为某些因素而降低时，UVLO也设定一个下降准位来将USB保护开关关闭。

Chip enable与Error Flag输出

Chip enable以及Error Flag的输出是USB保护开关IC的另一个特点，可以主动的向系统回应电源供给状况以及接受系统的控制，这都是被动的保护元件无法达到的功能。 Chip enable接受系统的控制，让USB的电源供给更加的有弹性；而Error Flag的设计更提供了保护开关与系统之间的互动性，一旦哪一个USB埠出了状况，系统藉由这一个信号马上就可以得知并做出适当回应。

结语

无论是DC/DC升降压、线性稳压器LDO或者是USB保护开关的设计，我们都可以嗅到一股强调保护机制的重要性，选择一个特性效能高强的电源管理IC固然重要，但是若可以保证产品设计过程乃至于客户的使用上达到百分之百的安全，则是为您的设计加了许多分数。这里为读者介绍的保护方式也可以让读者在选择电源管理IC时多了一些认知，而本文的一些图表资料多取自沛亨半导体所生产的IC Data Book及实验数据，有兴趣的读者可以在该公司的网站上取得相关资料。