电路保护中的欠压\过压闭锁设计

[Alan_Yang]

实际应用中，可能会遇到输入电压不稳的情况。例如使用电池的便携式设备应用，输入电压Vin可能很难保持非常稳定。为了防止电压过低或过高影响后续电路，有时有必要增加欠压/过压闭锁设计。

引入欠压闭锁(UVLO)/ 过压闭锁(OVLO)两个概念：

• 欠压闭锁(UVLO)，输入电压达到某一阈值，后续电路导通，可防止下游电子系统在异常低的电源电压下工作。
• 过压闭锁(OVLO)，输入电压超过某一阈值，后续电路断开，可保护系统免受极高电源电压的影响。

1. 欠压闭锁(UVLO) 电路设计

如下图，为了实现欠压闭锁(UVLO) 电路设计，我们需要：
• 一个比较器
• 一个基准电源VT
• 一个功率开关（比如MOS管）
• 分压电阻，来调节阈值

图 1 电阻分压设计中的欠压闭锁电路 （图片来源于ADI）

当输入电压:
从0 V开始上升到UVLO阈值电压之前，功率开关保持断开状态。
超过UVLO阈值电压，功率开关导通，整个电路正常工作。

2. 欠压闭锁(UVLO) + 过压闭锁(OVLO)电路设计
与使用两个电阻串联相比，三个电阻串联可设置欠压和过压闭锁阈值。

图 2 欠压闭锁(UVLO) + 过压闭锁(OVLO)电路设计（图片来源于ADI）

如上图，两个比较器输出连接到逻辑与门，逻辑与门再连接功率开关。

当输入电压：
从0V 到 UVLO阈值电压，电路断开
从UVLO阈值电压到OVLO阈值电压，电路导通
超过OVLO阈值电压，电路断开

功率开关：N沟道MOS管 VS P沟道MOS管？

在欠压/过压闭锁设计中，功率开关可以使用N沟道或P沟道MOS管来实现。

使用N沟道MOS管作为功率开关时，会有一个小问题, 如下图连接：

图3 使用N沟道MOS管，作为欠压闭锁电路功率开关 （图片来源于ADI）

栅极（G）电压为低电压（例如：0 V）时断开（高电阻）。

栅极（G）电压为高电压时导通，为了完全导通（低电阻）N沟道MOS管，栅极（G）电压必须比源极电压（S）高出MOS管阈值电压。而导通时，MOS管源极(S)与漏极(D)电压一致，也就是要求栅极（G）电压必须比电源电压高出MOS管阈值电压。因此，这需要使用电荷泵来解决这个问题。

当然，使用一些专用的欠压/过压保护芯片。如，LTC4365、 LTC4367和LTC4368，集成了比较器和电荷泵。可驱动N沟道MOSFET，同时静态功耗较低。

P沟道MOSFET不需要使用电荷泵，但栅极电压极性相反；也就是说，低电压时开关导通，而高电压时断开P沟道MOS管。

[鱼遇雨]

本文学习了电路中电压保护设计，平时在设计应用中经常考虑到稳压的方式就是使用稳压管或可调稳压电源芯片加以调节控制，在使用过程中，虽不会出现过大的电压值偏差，不过对于精细电压需求时往往会出现波动，添加电源滤波电路偶尔会出现电压自激振荡情况，学习了欠压和过压保护设计，能够在电路电压设计中更具有安全保护性。

[shannon]

1、模拟比较器：通过电阻分压网络采样输入电压，与精密基准电压（如 TL431）在电压比较器（如 LM393）中对比，输出信号控制 MOSFET / 继电器通断，实现电压越限时切断电路。其优点是低成本、快速响应，比较适合简单电路、对成本敏感的场景。
2、数字监控：利用专用电源监控芯片（如 MAX6392、TPS3890），通过内置 ADC 和寄存器精准设定欠压 / 过压阈值（精度 ±1%），支持 I2C 编程配置滞环、延迟等参数，数字逻辑控制开关元件。优点是阈值精度高（±1%）、软件灵活配置、支持多功能保护（过流 / 短路），适合锂电池保护、工业自动化系统。
3、集成型电源保护：采用预集成保护芯片（如 LTC4364、TPS2497），内部整合分压、比较、驱动电路，外接少量元件即可实现欠压 / 过压闭锁，支持宽电压输入和即插即用。优点是极简设计（仅需配置电阻）、高可靠性（内置热关断 / 反向保护）、体积小（<2cm²），适合空间受限设备、恶劣环境的应用。