AOT架构Buck变换器中保护电路的研究与设计

白璐　黄晓燕　王正之

摘要：近年来，手机、平板电脑等电子产品性能的不断提升，它们对电源管理芯片在输出电压、功耗、安全性等诸多方面提出了更高的要求。在众多的电源管理芯片中，AOT（自适应导通时间）架构的Buck变换器以其简洁稳定的控制环路、快速的瞬态响应和相对稳定的工作频率成为了降压型电源管理芯片中的主流类型。对于电源管理芯片保证其工作安全性至关重要。在所有电源管理芯片的故障中，过流、过温是最主要的两种情况，可直接导致芯片被烧毁。为此，本文主要对AOT架构的Buck变换器中的过流保护电路和过温保护电路进行了研究。

关键词：AOT架构;Buck变换器;保护电路

中图分类号：TN86 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）03-0177-01

1 Buck变换器的过流保护电路

1.1 恒定输出功率型

恒定输出功率型限流方式在输出电流達到限流阈值后，将维持输出功率不变，因此在降低输出电压的同时，输出电流还会继续増大超过限流阈值。这种过流保护方式虽然能一定程度上抑制输出电流过快増大，但是对芯片的保护效果有限。

1.2 恒定输出电流型

恒定输出电流型是在输出电流达到限流阈值时使输出电流恒定不变，为了达到送个目的，就必须随之降低输出电压。这种保护方式具有很快的瞬态响应速度，一旦过流故障解除，输出电流能迅速恢复正常;但是它的弊端也很明显，由于输出电流一直处于限流阈值，过流时间长的话过大的输出电流仍然会使芯片发热。

1.3 降低输出电流型

降低输出电流型限流方式则会在输出电流达到限流阀值后降低输出电流，同时也降低输出电压，送种限流方式可以最大程度地降低过流时的功耗并避免芯片因过热造成的使用寿命损耗，但是它的最大问题是瞬态响应速度较慢，过流故障排除后需要较长时间输出电流才能恢复正常。三种过流保护方式见图1，上三种过流保护方式都有各自的局限性，本文设计的电源管理芯片过流保护电路将采用恒定输出电流与降低输出电流相结合的方式。在刚刚出现过流情况时采用恒定输出电流的方式把输出电流限制在固定值，如果过流故障持续达到一定时间，则改为降低输出电流（具体形式为打嗝模式），避免芯片发热造成损坏。

随着电力电子技术的不断发展，开关电源因具有体积小、响应速度快、效率高等优点，被广泛应用于各类便携式电子设备中。功率MOS管（简称功率管）是开关电源的重要组成部分。随着半导体工艺的不断进步，功率管的导通电阻越来越小，开关频率越来越快，功耗越来越低。但是，功率管无法承受过大的电流。为解决这个问题，在开关电源中增加了过流保护电路，以避免输出短路或负载电流过大时对功率管造成永久性损坏。过流保护电路必须具有较快的响应速度，并且不受电源电压和温度的影响。当功率管发生过流时，过流保护电路要及时地将过流信号反馈给系统的控制电路，以关断功率管或者直接关闭整个系统。

一般情况下，过流保护电路的电流采样方法有两种：一是利用外部电阻采样，二是利用功率管的导通电阻采样。第一种方法的采样值更准确，但采样电阻要消耗额外的功耗。第二种方法的采样结构更简单，节约了功耗，但采样值随电源电压和温度的变化较大。

2 BUCK变换器中过温保护电路的设计

在集成电路的设计中，尤其是在电源管理芯片PMU（Power Management Unit）等功耗较大的芯片中，如果发生短路等情况造成功耗过大，芯片的温度将迅速上升，因此过温保护电路的设计对于保障芯片的安全工作非常重要。当前，集成电路中的过温保护电路普遍采用双极型晶体管的基射电压Vbe随温度的变化进行测温，但是这要求采用BICMOS工艺或BCD工艺等能直接在集成电路中制造双极型晶体管的工艺，否则如果采用标准CMOS工艺，就只能利用寄生H极管效应制作纵向BJT（CVBT）或横向BJT（CLBT），它们会有集电极和芯片衬底短接和载流子迁移率不均匀等一系列问题，限制了双极型晶体管用作测温元件的使用范围。[1]

为了避免该问题，本文的设计采用工作在亚阈值区的MOS管代替双极型晶体管作为感温元件，这使得该过温保护电路在标准CMOS工艺下即可制造，兼容性更好;另一方面，工作在亚阈值区的MOS管静态电流非常小，降低了电路的功耗;配合低压宽摆幅的共源共栅电流镜，该电路在1.5-7V的电源电压范围内都能正常工作，特别符合现在集成电路低压低功耗的发展趋势。[2]

原理如图2所示。首先，电路使用三极管的基射电压来检测温度变化，功耗较大;而且在不同电源电压下，A点和B点的电压会发生显著的变化，所以M1和M2管的沟道长度调制效应会使电流源的电流随电源电压产生很大变化，因此在不同电源电压下的过温点会相差很大，严重影响过温保护的效果[3];另外，由于温度升高和降低过程中过温保护输出的跳变点是相同的温度，所以在过温保护后温度稍有降低，电路又会重新工作，然后再发生过温保护，从而产生热振荡，这也是需要避免的。

电源管理芯片在电子产品中的重要性日益提高，其安全性收到越来越多的重视。AOT架构的BUCK变换器作为当前比较主流的一类电源管理芯片，其保护电路的设计显得尤为重要。本文针对目前AOT架构BUCK变换器的保护电路设计中的不足，对其中的过流保护电路和过温保护电路做了较为深入的研究。

参考文献

[1] 胡浩.四开关Buck-Boost数字电源模块的设计[D].哈尔滨工业大学，2016.

[2] 范建功.AOT架构开关电源中定时器电路的研究与设计[D].西南交通大学，2016.

[3] 杨异迪.Buck变换器电容电流滞环控制方法研究[D].重庆大学，2016.

Research and Design of Protection Circuit in AOT Buck Converter

BAI Lu，HUANG Xiao-yan，WANG Zheng-zhi

（Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute，Shanghai  201109）

Abstract：The performance of electronic devices such as cellphones and tablet gets continuous improvements， it needs higher requirements of PMUs power consumption，reliability and safety. In all kind of PMUs，Buck converter with AOT （Adaptive On-Time） architecture is becoming the mainstream type in step-down power management ICs，it has great advantage in simple and stable control loop， fast transient response and relatively stable operating frequency. Safety is becoming the most important indicator of PMUs. In the failure of all power management chips， overcurrent and overtemperature are the two most usual situations， which may directly cause the PMU failure. To this end， this paper mainly studies the overcurrent protection circuit and overtemperature protection circuit in the AOT architecture Buck converter.

Key words：AOT structure;Buck converter;protection circuit