本文將介紹一個應用於低電壓電路保護，具備快速反應能力的簡易過電流偵測電路。和因電壓過低造成較長啟動延遲的專用熱切換（hot-swap）式控制器不同的是，這個電路可以在輸入電壓超過2.7V的150μs後立即提供保護，同時也可以透過外部P通道切換開關的閘極電壓限制在電源啟動時帶來衝入電流限制功能。
(圖一)顯示了這個閂鎖式過電流錯誤偵測電路的完整電路圖，在加上電源後，比較器輸出COUT接近0V，由Q2與Q3所形成的非反向緩衝器可以確保超低導通電阻、低臨界電壓P通道功率MOSFET Q1的閘極完全強化，流入負載的電流則透過高電壓端的電流感測放大器加以測量，將電流感測電阻RSENSE上的小幅度電壓值轉換成OUT接腳上經調整的對地參考電壓輸出，這個正比於負載電流的電壓更進一步經過閂鎖式非反向比較器的輸入端調整控制。
當負載電流超過R1與R2接點的臨界電壓時，比較器會改變狀態，造成輸出電壓經過R3拉升到高電壓，當閘源極電壓下滑到低於閘極臨界點時，P通道MOSFET將會關閉，而非反向緩衝器Q2～Q3則可以確保Q1閘極足夠的充放電電流，帶來快速的切換反應。
| 《圖一 整合電流感測放大器、閂鎖式比較器以及參考電路形成一個快速反應低電壓過電流保護電路。》 |
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元件的選擇
控制器
MAX4373是能夠以3.3V電源運作，應用在快速響應電流閂鎖式限流偵測電路的控制器。MAX4373整合了形成這類電路的所有元件，包括高共模差動電壓偵測器、參考電路以及可以低電壓信號重置的閂鎖式比較器，啟動延遲大約為加上VCC電源後的500μs，比較器本身的傳遞延遲則為4μs。
電流感測電阻
在選擇能夠確保取得最佳增益精確度（通常在1％～1.5％)的感測電阻值時，對20與50倍增益範圍（MAX4373的T與F版本）內的額定電流壓降應該位在75mV到100mV間。
另一方面，輸出的動態範圍也是相當重要的考量，應該將相對於動作/偵測電流的標準輸出電壓安排在電源電壓的50％處，請注意VOUT的最大值為低於VCC電源電壓250mV，因此對VCC＝＋3.3V的情況，VOUT的標準值應該接近1.4V，在這個例子中，具備20倍增益的MAX4373（T版本）適合搭配70mV的感測電壓。
而對於這個應用所使用的15A感測電流，RSENSE＝4.6m可以產生約70mV的VSENSE感測電壓，選擇最接近的4.7mΩ電阻值，Tyco-Meggitt的RL73H F型的誤差容忍度約為±1％。
臨界電流
在設定完電流偵測放大器後，應該安排比較器來提供適合用於關閉串列功率切換開關的切換輸出電壓。可利用一個電阻式分壓電路將電流感測放大器的輸出連接到比較器的正輸入端，如果要進行切換，比較器的正輸入端電壓必須要高於內部設定的600mV標準臨界電壓值（580mV到618mV）。
在電流感測放大器的標準輸出電壓下，流經R1與R2的電流必須大於150nA並小於500μA，比較器輸出可以吸入1mA電流，飽和電壓最高為600mV，閘極提升電阻R3可以由以下的方程式算出：
功率切換開關
外接P通道MOSFET的選擇以尖峰電流、導通電阻以及閘極電壓做為主要評選規格，接著是元件的包裝，導通電阻在選擇上必須讓額定電流下的壓降接近電流感測電壓，這個值可以在感測電阻與MOSFET上產生差不多的功率耗損。
由Siliconix所提供的Si7485DP MOSFET在VGS＝－2.5V時擁有最高9mΩ的導通電阻，這個20V的P通道元件因為可以在低輸入電壓運作而受到採用，最糟情況下的持續功率耗損為：
在15A負載電流與9mΩ導通電阻的情況下，Si7485DP以高於環境40℃到50℃的溫度運作，因此會依最後應用的需要加入散熱機制。
在這個例子中，功率切換開關的閘極電荷規格大約為60nC，如果需要快速的反應，這個值就超過R3以及低耗電比較器輸出的推動能力，因此需要一個閘極驅動緩衝電路，如以上所描述，Q2和Q3形成了一個提供Q1閘級足夠雙極電流增益的互補式射極跟隨驅動電路，電晶體在選擇上以在500mA到1A的中等閘極電流下具備良好直流表現為基準，較合適的選擇包括Zetex的FZT688B（npn型）與FZT788B（pnp型），兩款元件都採用SOT223包裝。
運作
容忍誤差
所感測的真正電流值會受到下列元件的誤差值影響：
- (1)感測電阻：±1％（TL3A）
- (2)感測電壓限制：±0.1
- (3)增益容忍誤差：最高±5.5％（包含增益與偏移誤差）
- (4)比較器電阻容忍誤差：±1％（R1 & R2）
- (5)比較器臨界容忍誤差：±3.3％
忽略感測電壓容忍誤差，整體電流感測容忍誤差接近±10.8％，詳細限制可以透過下列方程式算出：
雖然在R1與R2上採用±0.1％容忍誤差值的電阻可以降低部分的誤差限制（約±1％），但所增加的額外成本可能不會被終端應用所接受。
關閉動作的暫態響應
快速對錯誤響應進行反應並立即切斷電流的動作是一個關鍵的要求，不過電源接腳分布電感中尚存的能量還是可能會產生造成破壞性的高電壓突波，雖然部分能量可以藉由負載電源的分佈電容加以吸收，但還是可能需要一個快速反應的過電壓截波電路來保護MAX4373不受28V或更高暫態電壓的破壞。
| 《圖二 圖一中電路的測試結果顯示反應時間約為2μs。》 |
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結語
在輸入端，也就是圖一中的VIN加入電流探棒來監測負載電流，負載電流會持續升高直到達到臨界點並觸發電路，反應時間大約為2μs，如(圖二)。
（作者Andy Fewster為Maxim美商美信SPM產品區域業務經理；Kevin Frick為應用工程師）
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