前言

已經好幾天了，實驗室裡夜裡11點還是燈火通明，辛苦的研發工程師還在努力趕工，怎奈滿心期待一次成功的樣板(Demodoard)還是出問題了，唯一欣慰的是把代理商的FAE也找來一起解決問題，應該會比較快一點找到出錯的地方吧！

天啊，好熟悉的畫面跟場景。

Debug有時候真是一件痛苦的差事，有一些Bug是可以很輕易就找到，但是有些則不。在數位電路裡大多數的失敗是源自於邏輯訊號的錯亂，除了電路功能不正常之外並不會有多麼特別的症狀；但是當有關電路的錯誤導致系統電源出錯，則是有可能會帶來嚴重的後果。因此在新一代的類比電源管理領域裡，都需具有相當完善的保護功能，保護因電路錯接或不當使用造成的失效問題。本文將就現代電源管理控制晶片裡包含PWM DC/DC直流對直流轉換器、LDO低壓差線性穩壓器以及USB保護開關裡常見的保護機制，做一個簡單的介紹。

PWM(脈波寬度調變)DC/DC直流轉換器的保護機制

PWM中文為脈波寬度調變，在一般3C產品上有相當廣泛的升降壓應用，特性是具有高效率，穩定性高也可以提供較大的電流。最常見的地方是PC主機板上對CPU核心電壓的提供以及任何需要高效率升降壓的場合。

讓我們很快的切入主題，在一般PWM的控制IC設計上，有許多對電路或對IC本身設計的保護裝置，對電源電路的工作狀況做安全性的防護措施。常見的保護有：

1.OCP(Over Current Protection)過電流保護

2.OVP(Over Voltage Protection)過電壓保護

3.Power on Reset電源啟動重置以及Soft start軟啟動

4.Power Good信號以及Fault電源錯誤信號

有些是針對在電源啟動時的保護、有些則是偵測電源的使用狀況。對電源的保護也分為直接中斷電源提供，以及間接輸出錯誤信號知會系統控制器(System Controller)的方式。以下是針對個別的保護機制所做的介紹。

OCP

傳統上，為了要偵測電流的大小，通常使用的方法是在電源輸出與負載之間串聯一個電阻。一個標準固定值的電阻器放置於電源輸出與負載之間，則流過電阻器的電流I會在電阻兩端產生跨壓V，遵循的是最基本的

V=I×R (1)

因此假設選擇了一個0.1Ω的電阻，流過1.5A，則電阻上會產生150mV的壓降，流過的電流越大則跨的電壓越大。這時只需要一個裝置可以來解讀這一個壓降大小，一個運算放大器或是比較器便是不錯的選擇，正常的時候比較器正端輸入小於負端輸入，比較器輸出低電位；當流過電阻的電流 I產生了壓降V大於內部預設的參考電壓VSET，則比較器輸出高電位，這一個偵測結果可以提供給系統微控制器(uP)做參考，或者更直接的反應過電流保護的動作。

這一個方法乍看之下簡單好用，但是隱憂卻不少。多加一個電阻就多個成本，而且為不影響負載調整率(Load regulation)，勢必得採用很小的電阻，而此時電阻的準確度以及偵測電流值的可信度又令人擔心了，因此聰明的類比IC設計師便發展了一種可以節省成本又具有精確偵測電流的方法。如(圖三)所示是一個典型的PWM降壓電路，V1為輸入電源，經過IC內部經過R對V1端抽取200uA的電流，得到V2電壓在比較器的正輸入端，

V2=V1-(200uA×R)(2)

同時，當PWM控制信號驅動的同時，電流ID由MOSFET的D端經過內阻RDS流向S端，也得到V3電壓在比較器的負輸入端，V3=V1-(ID×RDS(ON))(3)

當MOSFET的D、S兩端的電壓(V1-V3)大於圖三裡R兩端的的跨壓(V1-V2)時過，即

(ID×RDS(ON))>(200uA×R)(4)

此時代表流過MOSFET上的電流過大，系統必須做出相關的回應，所以比較器輸出一個高電位信號，表示已經電源轉換迴路裡已有過電流發生。也許這樣讀者仍不明白，那麼筆者假設圖三裡的R有1kΩ，MOSFET的RDS(ON)是50mΩ，內部基準電流仍為200uA，則將值代入(4)式，可以得到當ID大於4A時過電流保護啟動。這當中的可選擇的變數有R和RDS(ON)，若MOSFET型號已選定，則改變R值可以得到不同的過電流偵測值。

相較於傳統的串聯電阻式的過電流偵測，利用MOSFET內阻的偵測方式除了可相對節省成本之外，對電流偵測的準確度亦可大幅提昇，特別是一些較大電流的需求例如主機板CPU的核心電壓，高達30A以上的電流，一點點的串聯電阻都是一段無法接受的壓降。

OVP

相信這也是許多人的經驗，電壓不知怎麼的就高了起來，心跳也跟著加速。而電壓升高的也就代表了可能產生電流升高功率消耗變大或是超出耐壓的問題，因此通常在PWM的控制器裡設定了一個比輸出電壓高(通常115%)的參考電位，一旦檢測出輸出電壓高於這個準位，則輸出一個信號通知系統控制器做回應。之所以不一定直接中斷電源供給，則是因為有些系統電源上下都還有20%誤差，分壓電阻或是回授電壓的誤差也有可能導致電壓升高。

Power on Reset 與Soft Start

當電源打開的時候，輸入電壓由0V上昇，Power on Reset電源啟動重置的設計是當輸入電壓還沒有上昇到一定準位的時候，PWM控制器仍然處於靜止的狀態，而電壓超過某一個合理或是安全準位時，PWM控制器才開始動作。讀者心理可能想，假設預計要從12V降到5V則電源至少要升到5V 以上PWM開始動作，這樣稱之為合理準位。那安全呢？一般的降壓架構裡都會有一個MOSFET切換開關，以N-type MOSFET為例，G極電壓要比S、D高大約3~4V才可以使得MOSFET完全打開，因此供給PWM控制器的VCC要夠大，否則MOSFET在非開關區內做切換則會損耗相當多的熱量，你被燙過嗎？這就叫安全。

所以Power on Reset會比預期要降轉的電壓來源高大約3~4V，而一般最常見的降壓來源多為5V，所以一般具有Power on Reset功能的PWM控制器，其準位多落在9~10V。

一旦IC的VCC經過Power on Reset準位而致能後，MOSFET驅動信號週期(Duty Cycle)全開，輸出電壓理所當然在短時間內會由0V直奔目標電壓，於是此時輸入電壓透過MOSFET直通輸出電容器，就像一個空空的大水桶，形同一個低阻抗的負載，把過快的瞬間上昇電壓濾掉。但是卻會造成瞬間浪湧(Inrush)電流，有些開關不勝負荷在啟動瞬間宣告陣亡。為了避免這樣的狀況發生，於是應用了軟啟動(Soft Start)的觀念。一般是在PWM開始工作之後設定一段軟啟動區間，限制輸出電壓的上昇斜率，如此一來可以避免了瞬間電流的發生。實際電壓爬升的波形如(圖四)所示，輸出電壓緩步上昇，而且有些設計可以藉由外掛電容器的方式把啟動時間加長。

Power Good與Fault Signal

為了要向系統反映電源的供給狀況，某些PWM控制器也提供了表示電源正常的Power Good輸出信號以及表示電源失效的Fault Signal信號輸出。

(圖五)所示為Power Good信號的產生，若是輸出電壓若在設定期望值的90%~110%之間，則 Power Good信號被設定表示電源狀況良好。也許有讀者又問了，那它到底有什麼用處？筆者舉個例子好了，在IAPC(Instantly Available PC)的控制信號中，除了代表系統睡眠深淺程度的#S0、#S3與#S5之外，Power Good也扮演著重要的角色，通知系統表示電源已經就緒，可以由待機#S5進入#S3或是全速運轉的#S0。隨著電源系統供給的多樣化，這樣的指示信號越來越有它存在的必要性。

另外提到的Fault信號是通知系統電源已經出現錯誤，無論是源自於輸入端或是輸出端的因素，則都由邏輯方塊來處理，進行閂鎖並凍結電源的輸出。

談完了PWM直流轉換器的保護機制後，我們可以發現當電路出錯的時候，這一些保護設計發生了作用後通常可以避免掉一些元件的犧牲或是無謂的困擾，假設您的產品在客戶手上使用時忽然一陣輕煙帶臭味飄出，感觸想必特別深刻。

以上圖表皆是參考自國內類比IC領導廠商沛亨半導體(AIC)的PWM控制IC族群，其一系列應用於主機板電源轉換之三合一、四合一以及簡易式的PWM控制器都具有相當完善的保護機制，讀者若有更進一步的了解可自行前往http://www.analog.com.tw瀏覽。

電源轉換方式不只一種，接下來我們要介紹的是低壓差線性穩壓器的保護機制。

LDO(低壓差線性穩壓器)的保護機制

PWM控制IC不但控制方式複雜，連保護方式也多樣化。而低壓差線性穩壓器(以下稱LDO)就顯得簡單許多，但即使事實是如此，LDO上所採用的保護措施可也不能少。

就我們所明白，LDO在電路上扮演著類似等效電阻的角色，串聯於輸入電壓與輸出裝置之間消耗多餘的功率，不過重點是它對輸出負載提供一個穩定的電壓來源。如(圖七)所示，在LDO上所消耗的功率可由式子(5)得出：

PLDO=I ×(VI-VO)(5)

還是舉實際的例子好了，假設一個常見的應用：輸入電壓5V、輸出電壓3.3V、電流消耗1A，則輸入端一共提供5W，輸出端消耗掉3.3W，根據(5)式則其餘1.7W則由LDO本身消耗掉，在輸出入電壓固定的條件下，LDO所要消耗的功率與輸出電流成正比。有功率消耗就會產生熱，過多的熱累積散不掉就會對LDO本身造成傷害，因此過流保護Current Limit與過熱保護Thermal Limit成為現代LDO所必備的設計考量。因為LDO的應用相當簡單，所以我們就直接進入到IC內部的設計來討論。

過流保護Current Limit

(圖八)是一個現代LDO裡面相當常見的Current Limit設計，Q4為主要輸出晶體來控制負載電流的流過。因為比例式的設計使得流過Q3的電流會隨著流過Q4的電流比例變化，當流過Q4的電流變大，Q3的電流的電流也會跟著變大。

Q2和Q3組合而成的電流鏡(Current Mirror)結構，使得流過Q3的電流會等於Q2的電流：

IQ2=IQ3(6)

當IQ4電流達到設定準位時，Q2、Q3都變大，使得Q1導通，誤差放大器會將輸出電流箝制(Clamping)住，不讓輸出電流再加大。

過熱保護Thermal Limit

LDO的應用裡，熱的累積又是另一惱人的問題。依照各種不同的封裝種類，其散熱能力也都不同，不過可以確定的當然是熱產生之後累積在晶片上，若不是直接摧毀LDO本身，至少也會影響LDO的壽命。

在現代LDO的設計上，Thermal Limit的觀念被應用在安全的觀點上，電晶體Q的VBE是具有負溫度係數的PN接面，當溫度上昇時導通電壓跟著降低；而R設計成正溫度係數，溫度上昇時電阻值上昇。

當溫度條件正常時，由IBIAS流過R的電流形成電壓跨於電晶體Q的VBE兩端，但是並不足以將Q打開；相反的當溫度升高時，VBE下降，跨在R兩端的電壓上昇，兩組電壓相互趨近，直到Q被導通了的那一點即為Thermal Limit的設定點。設計上當然是由選定的Thermal Limit點再來決定VBE及R的特性。

簡單的LDO也有很大的學問，尤其是在功率消耗以及熱的處理上某些時候顯的棘手，屬於類比電源管理的領域自然是沛亨半導體(AIC)專注的重心，該公司擁有各式工業標準品以及其特別發展出來一系列的LDO家族，也累積相當多有關LDO熱處理的經驗以及文件資料，讀者不妨可以直接由其網站下載 http://www.analog.com.tw 或尋求該公司工程師的協助。

USB保護IC

USB的演進裡，傳輸速率由1.1版的12MB/s到2.0版的480MB/s，但是規範裡制定電源分配供給的章節卻沒有變化。為了安全的因素，Host主控端以及自給電源Self-Powered的Hub都需要有過電流的保護裝置，而Hub需要有管道可以偵測過電流並且將其回報給USB控制系統。而當過電流情況發生了，裝置必須有能力將電流限制住並且不影響到其它USB下行(Downstream)埠Port，當過電流狀況解除也有能力自行恢復供電。

此時以IC設計的保護開關Solid-State Switch便是最佳的選擇。因為這些特別針對USB保護功能設計的電流開關通常具有：

*Current Limit過電流保護

*Thermal Limit過熱保護

*UVLO低壓偵測閂鎖

*Chip enable以及Error Flag的輸出

相較於Poly-Switch所採取的被動保護，IC式的保護開關提供了主動偵測而且絕對的安全特性，也是近來在USB保護的應用領域上設計師偏好Solid-State Switch的原因。以下筆者就上述的幾項USB保護IC的特性做說明。

Current Limit

USB的規範裡要求由匯流排取用電源的裝置不得取用超過500mA的電流，而且接收到的電壓最小得要有4.75V，向下一級USB裝置的供應也要大於4.40V。因此在500mA的連續電流需求下，勢必得取個安全的限流值，在標準上是大約0.75A~1.2A為最適當。

如(圖十)所示的實驗波形，當電流以一個斜率上昇到限流點時，USB保護裝置會將電流限在某一個值比如說圖中所顯現的1A，防止上游裝置過多的電流被發生錯誤的下行埠抽取。而且當過電流狀況解除後，輸出電壓也自行恢復至原先的正常準位。

Thermal Limit

在USB的應用裡，溫度與熱也是主要關注的特性。正常的情況下當電流流過開關的時候，會產生些許的熱，因為不是很大所以並不煩人。但是試想著當輸出端發生過電流或是短路現象時，由過電流保護發生了作用將電流箝制在將近1A的準位，則根據功率消耗的公式為電壓與電流的乘積來計算，將近有5W的功率損耗，而這樣的功率損耗伴隨的將是瞬間溫度上升。

所以Thermal Limit的設計是當Junction溫度達到設定溫度(通常為110℃~150℃)，立刻切斷電源供應，當溫度降低約20℃或30℃後再重新打開電源開關。所以我們可以看到，當過溫情況一直沒有解除的話，輸出電壓會不斷的循環開關，直到狀況解除。

UVLO (Under Voltage Lock Out)

USB電源規範對上行(Upstream)下行(Downstream)的電壓範圍規定有一點複雜，但是出現過最小的電壓是4.40V。所以當電源被接上，USB保護開關的電壓由0開始上升後到達4.40V的這一段電壓因為裝置無法取用，為了安全的因素應該被隔離，所以UVLO的觀念就被應用到USB的保護開關裡來了。輸入電壓必須爬升到一定準位之後，開關才會打開，一般設定值沒有一定，但常見為2.6V~3.0V；而當輸入電壓因為某些因素而降低時，UVLO也設定一個下降準位來將USB保護開關關閉。

Chip enable與Error Flag輸出

Chip enable以及Error Flag的輸出是USB保護開關IC的另一個特點，可以主動的向系統回應電源供給狀況以及接受系統的控制，這都是被動的保護元件無法達到的功能。Chip enable接受系統的控制，讓USB的電源供給更加的有彈性；而Error Flag的設計更提供了保護開關與系統之間的互動性，一旦哪一個USB埠出了狀況，系統藉由這一個信號馬上就可以得知並做出適當回應。

結語

無論是DC/DC升降壓、線性穩壓器LDO或者是USB保護開關的設計，我們都可以嗅到一股強調保護機制的重要性，選擇一個特性效能高強的電源管理IC固然重要，但是若可以保證產品設計過程乃至於客戶的使用上達到百分之百的安全，則是為您的設計加了許多分數。這裡為讀者介紹的保護方式也可以讓讀者在選擇電源管理IC時多了一些認知，而本文的一些圖表資料多取自沛亨半導體所生產的IC Data Book及實驗數據，有興趣的讀者可以在該公司的網站上取得相關資料。