评估电路的过压门限参数偏差

  某设计使用ADI公司的监测控制芯片对输入电压 VIN做欠压（Under Voltage，UV）监测和过压（Over Voltage，OV）监测。当VIN低于欠压门限或者高于过压门限时，通过将MOSFET关断以保护后续电路。

      设计要求：正常工作时，输入电压VIN范围为50V±10%（即45～55V），电路板中挂在VIN上的负载芯片，允许电压最大极限值为65V。

      设置过压门限和欠压门限的分压电路如图1.25所示。根据以上要求，设计者使用了5%精度的电阻。

【讨论】

       由于OV和UV门限的考虑方式相同，所以只以OV为例。

       参考ADI公司本案例所用芯片手册中对OV门限参数的定义，如图1.26所示。

       该参数的典型值为3.5V，最小值为3.43V，最大值为3.56V。

       下面根据参数值推算本电路的过压门限。在推算过程中，需考虑芯片手册OV 参数值的偏差、分压电路电阻阻值的偏差（分压电路采用了精度为5%的电阻）。为方便起见，图1.25中已经标出了各电阻阻值的最小值、典型值、最大值，在下面的过压门限值的计算中，可以直接使用。

       ① 过压门限最小值。

       取电阻阻值依次为47.4kΩ、1.15kΩ、3.32kΩ，OV门限取最小值3.43V。

      相对应的过压门限最小值为3.43V/（3.32kΩ）×（47.4kΩ+1.15kΩ+3.32kΩ）=53.6V。

       ② 过压门限典型值。

       取电阻阻值依次为49.9kΩ、1.21kΩ、3.16kΩ，OV门限取典型值3.5V。

   则过压门限典型值为3.5V/（3.16kΩ）×（3.16kΩ+1.21kΩ+49.9kΩ）=60V。

       ③ 过压门限最大值。

       取电阻阻值依次为52.4kΩ、1.27kΩ、3.00kΩ，OV门限取最大值3.56V。

      相对应的过压门限最大值为3.56V/（3.00kΩ）×（3.00kΩ+1.27kΩ+52.4kΩ）=67.2V。

       经以上计算，可以求出该电路过压门限值的典型值为60V, 考虑偏差后，参数值范围为53.6～67.2V。

       再回顾设计要求，正常输入VIN范围为45～55V,  在这个范围内监测电路不能触发过压保护；负载芯片耐压最大值为65V，过压保护门限应低于65V，才能实现对负载芯片的保护。

       依据以上关系绘制出图1.27。
 

       设计的保护电路，过压门限典型值为60V，满足以上要求。但若考虑参数值偏差，过压门限可能低至53.6V，高至67.2V，则依据图1.27，可能使电路存在两个隐患：         

       隐患1 : 输入电压VIN为53 .6～55V时，仍属于正常范围，但过压监测门限范围最低会到53.6V，所以，在该正常的输入电压范围内却可能触发过压保护，MOSFET 断开，负载断电。这种情况属于误报过压。

       隐患2 : 若因异常导致输入电压VIN高于65V，可能导致负载芯片损坏，但过压监测门限范围最高会到67.2V，所以，该异常的，甚至灾难性的电压发生时，可能无法触发过压保护。这种情况属于漏报过压，保护电路没有起到应有的保护作用。

       那么，应如何设计保护电路，才能满足本案例的要求呢？

       期望的情况是，将过压监测门限范围设置为55～65V，如图1.28所示。

        仍使用ADI公司的该款监测控制芯片，只需要修改分压电路电阻的精度为1%，就能满足以上要求。修改后，过压监测门限范围为57.8～62.3V，计算过程不再赘述。

 

【扩展】

       通过本案例可以看出，在设计中涉及门限参数值的设定时，元器件参数偏差的影响很大，不能凭感觉估计，必须根据元器件偏差进行详细计算。一个好的设计习惯是，将门限范围计算结果标在原理图上，便于原理图完成后的设计评审。

       从本案例可以看出，原设计是存在隐患的，但希望通过测试来发现该隐患是很困难的。原因如上文所述，测试电路板所用元器件的参数值虽然存在偏差，但根据正态分布（假定器件参数值满足正态分布），参数值最大可能性仍然位于标称值附近，这样得到的测试电路板的过压门限大致也位于标称值60V 附近，并不会触发电路异常。只有在批量生产之后，当样本数目足够多了，原设计隐患才能暴露出来。因此，仅仅依靠研发测试，很多时候无法在批量生产之前暴露产品由于参数偏差而存在的隐患。电路参数计算是研发测试的重要补充之一。

 

 

 

       以上案例来自电路设计领域知名专家-王老师《高速电路设计进阶》著作内容其一案例！