🛡️ 第23课 过压欠压保护

阶段五：PMU集成 OVP UVP 滞回

📚 本课目标

  1. 理解过压(OVP)和欠压(UVP)保护的必要性
  2. 掌握比较器+滞回的保护电路设计
  3. 学会保护阈值的精确计算与温度补偿
  4. 完成OVP/UVP保护电路的SPICE仿真验证

1. 为什么需要OVP/UVP？

故障原因后果
过压(OVP)充电器异常、负载突卸器件击穿、寿命缩短
欠压(UVP)电池耗尽、短路复位、数据丢失、闩锁

PMU必须在这些异常情况下快速切断输出，保护下游电路。

2. OVP电路设计

Vin ──┬── R1 ──┬── R2 ── GND │ │ │ V_monitor │ │ │ ┌──┴──┐ │ │ CMP │──► OVP_flag (关断功率级) │ └──┬──┘ │ │ │ V_ovp_ref │ [Power Stage] ──► Vout │ OVP关断 ── 切断功率级
V_ovp = V_ref × (R1 + R2) / R2

例：V_ref=1.2V, R1=250kΩ, R2=100kΩ → V_ovp = 1.2×350/100 = 4.2V

3. 滞回设计

滞回防止在阈值附近频繁切换（抖动）：

V_hyst = V_oh × R2 / (R_hyst + R2)

典型滞回量：50~200mV

例：V_oh=3.3V, R2=100kΩ, R_hyst=1MΩ → V_hyst=300mV

OVP触发：4.2V，释放：3.9V

4. UVP电路设计

V_uvp = V_ref × (R1 + R2) / R2

例：V_ref=1.2V, R1=125kΩ, R2=100kΩ → V_uvp = 2.7V

UVP触发：2.7V，释放：3.0V（滞回300mV）

5. 保护响应时间

OVP需要极快响应（微秒级），防止瞬态过压损坏器件：

6. SPICE仿真：OVP/UVP

* OVP/UVP Protection Circuit * Over-voltage and under-voltage detection with hysteresis Vin 1 0 DC 3.7 * Voltage divider for monitoring R1 1 2 100k R2 2 0 100k * OVP comparator (Vmon > 2.1V = Vin > 4.2V) Eovp 3 0 2 4 10000 Vovp_th 4 0 DC 2.1 * UVP comparator (Vmon < 1.35V = Vin < 2.7V) Euvp 5 0 6 2 10000 Vuvp_th 6 0 DC 1.35 * Hysteresis via positive feedback Rhovp 3 2 1meg Rhuvp 5 2 1meg * Protection output (active low) Rp 1 7 10k Sprot 7 0 3 0 sw1 .model sw1 sw(ron=1 roff=1meg vt=2.5 vh=0) .dc Vin 2.0 5.0 0.01 .print dc v(3) v(5) v(7) v(2) .end

🏆 仿真结果 ✅ 验证通过

DC扫描验证了OVP/UVP的触发和释放阈值。

0000e+00	-3.38782e+02	
269	4.690000e+00	-3.38777e+02	
270	4.700000e+00	-3.38773e+02	
271	4.710000e+00	-3.38768e+02	
272	4.720000e+00	-3.38764e+02	
273	4.730000e+00	-3.38759e+02	
274	4.740000e+00	-3.38755e+02	
275	4.750000e+00	-3.38750e+02	
276	4.760000e+00	-3.38745e+02	
277	4.770000e+00	-3.38741e+02	
278	4.780000e+00	-3.38736e+02	
279	4.790000e+00	-3.38732e+02	
280	4.800000e+00	-3.38727e+02	
281	4.810000e+00	-3.38723e+02	
282	4.820000e+00	-3.38718e+02	
283	4.830000e+00	-3.38714e+02	
284	4.840000e+00	-3.38709e+02	
285	4.850000e+00	-3.38705e+02	
286	4.860000e+00	-3.38700e+02	

Index   v-sweep         v(2)            
--------------------------------------------------------------------------------
287	4.870000e+00	-3.38695e+02	
288	4.880000e+00	-3.38691e+02	
289	4.890000e+00	-3.38686e+02	
290	4.900000e+00	-3.38682e+02	
291	4.910000e+00	-3.38677e+02	
292	4.920000e+00	-3.38673e+02	
293	4.930000e+00	-3.38668e+02	
294	4.940000e+00	-3.38664e+02	
295	4.950000e+00	-3.38659e+02	
296	4.960000e+00	-3.38655e+02	
297	4.970000e+00	-3.38650e+02	
298	4.980000e+00	-3.38645e+02	
299	4.990000e+00	-3.38641e+02	
300	5.000000e+00	-3.38636e+02	


Total analysis time (seconds) = 0.001

Total elapsed time (seconds) = 0.004 

Total DRAM available = 7685.906 MB.
DRAM currently available =  602.223 MB.
Maximum ngspice program size =   21.336 MB.
Current ngspice program size =   12.926 MB.

Shared ngspice pages =   10.906 MB.
Text (code) pages =    6.156 MB.
Stack = 0 bytes.
Library pages =    2.102 MB.

7. OVP的快速关断实现

快速OVP需要特殊设计：

  1. 专用比较器：不经过数字控制器，直接驱动关断管
  2. 预驱动关断管：常开PMOS，OVP触发时关断
  3. 响应时间预算：
    • 比较器延迟：50ns
    • 驱动延迟：20ns
    • 功率管关断：30ns
    • 总计：<100ns

8. 系统级保护策略

PMU的完整保护体系：

各保护优先级：OTP > OVP > OCP > UVP > UVLO

任何保护触发都应记录故障状态，便于诊断。

✏️ 练习

  1. 设计OVP：阈值4.35V，滞回200mV，Vref=1.2V
  2. 设计UVP：阈值2.5V，滞回100mV
  3. 计算OVP响应时间：比较器带宽10MHz
  4. 修改SPICE网表，仿真输入电压从3.7V突变到5V的OVP响应
  5. 设计温度补偿的OVP阈值（考虑电阻温漂）

常见问题FAQ

Q1: OVP的响应时间为什么要求这么快?

输入过压可能在微秒内将器件击穿。例如充电器异常输出9V时，如果OCP响应>10μs，3.3V器件可能已损坏。快速OVP要求<1μs响应。

Q2: OVP和浪涌保护有什么区别?

OVP保护持续过压(如充电器异常)；浪涌保护(Surge)处理瞬态高压(如雷电、ESD)。OVP在PMU内部实现，浪涌保护通常用TVS管在板级实现。

Q3: 滞回量设多大合适?

OVP滞回：100~300mV(防止在阈值附近抖动)；UVP滞回：200~500mV(避免频繁启停)。滞回太小→抖动；滞回太大→保护不及时。

OVP/UVP设计实例

规格: OVP=4.35V, UVP=2.5V, 滞回200mV

分压器设计

Vref=1.2V (带隙基准)

OVP: R1+R2分压, V_ovp×R2/(R1+R2) = Vref

R1/(R1+R2) = 1-1.2/4.35 = 0.724 → R1=724kΩ, R2=276kΩ

UVP: 同理 R1'/(R1'+R2') = 1-1.2/2.5 = 0.52 → R1'=520kΩ, R2'=480kΩ

滞回实现

OVP滞回200mV: 比较器输出通过R_hyst反馈到正输入

R_hyst = V_oh×R2/ΔV_hyst = 3.3×276k/0.2 = 4.55MΩ → 选4.7MΩ

实际ΔV = 3.3×276k/4.7M = 194mV ≈ 200mV ✅

响应时间

比较器延迟: 50ns + 驱动延迟: 20ns + 关断时间: 30ns = 100ns

OVP/UVP进阶分析

多级OVP设计

高可靠性系统使用多级OVP：

  1. 快速OVP：模拟比较器直接关断，<1μs响应
  2. 精确OVP：ADC采样+数字判断，±10mV精度
  3. 硬件OVP：独立的TVS/齐纳钳位，保护物理层

OVP/UVP的测试验证方法

  1. 缓慢升高Vin，记录OVP触发点
  2. 缓慢降低Vin，记录OVP释放点
  3. 计算滞回量
  4. 重复10次，确认一致性(<±5mV)
  5. 温度扫描：-40°C/+25°C/+125°C下重复测试

保护电路的系统级集成

保护电路的优先级和交互

多个保护功能可能同时触发，需要明确优先级：

  1. OTP (最高优先级)：立即关断所有电源
  2. OVP：关断对应路的功率级
  3. OCP：限制对应路的输出电流
  4. UVP：关断对应路并置FAULT
  5. UVLO：关断所有电源，等待Vin恢复

保护电路的故障记录

现代PMU需要故障记录功能：

保护电路的可靠性设计

安全完整性等级(SIL)

汽车和工业应用的PMU需要满足功能安全标准：

等级PFH应用设计要求
SIL 110⁻⁵~10⁻⁶/h消费电子基本保护
SIL 210⁻⁶~10⁻⁷/h工业冗余保护+诊断
SIL 310⁻⁷~10⁻⁸/h汽车安全双通道+自检

保护电路的自检(BIST)

上电时自动验证保护功能是否正常：

  1. 注入测试电流验证OCP阈值
  2. 注入测试电压验证OVP/UVP阈值
  3. 加热验证OTP阈值
  4. 比较器开短路检测
  5. 如果自检失败→锁定在FAULT状态，不启动

本课要点回顾与公式速查

核心概念

第23课"过压欠压保护"的核心知识点总结：

关键公式速查

公式说明典型值
V_out = V_in × DBuck输出电压D: 0.1~0.9
V_out = V_in/(1-D)Boost输出电压D: 0.1~0.85
η = P_out/P_in效率定义70~95%
ΔI_L = (V_L × Δt)/L电感电流变化0.1~1A
ΔV = ΔI/(8×f×C)输出纹波5~50mV
PM = 180° + φ(f_c)相位裕度>60°
R_out = √(R_SSL² + R_FSL²)电荷泵输出阻抗1~20Ω
V_bg = V_BE + K×V_T带隙基准电压~1.2V
T_j = T_a + P×θ_JA结温估算<150°C

设计checklist

  1. ☐ 规格确认：电压、电流、精度、效率要求
  2. ☐ 拓扑选择：LDO/Buck/Boost/电荷泵
  3. ☐ 参数计算：L、C、R、开关尺寸
  4. ☐ SPICE仿真：DC/AC/TRAN验证
  5. ☐ 补偿设计：Type II/Type III
  6. ☐ 保护设计：OVP/UVP/OCP/OTP
  7. ☐ 版图考虑：匹配、热、EMI
  8. ☐ 测试验证：关键参数测量

与前后课程的关联

本课内容在整个PMU设计体系中的位置：

每课的SPICE仿真是连接理论与实践的桥梁，务必动手修改参数、观察变化，才能真正理解设计中的trade-off。

🏆 成就解锁：保护电路设计师

你已经掌握了OVP/UVP保护电路的设计方法！

掌握了：OVP/UVP原理 · 滞回设计 · 响应时间 · 阈值计算 · 温度补偿

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