評估電路的過壓門限參數(shù)偏差

某設(shè)計(jì)使用ADI公司的監(jiān)測控制芯片對輸入電壓 VIN做欠壓（Under Voltage，UV）監(jiān)測和過壓（Over Voltage，OV）監(jiān)測。當(dāng)VIN低于欠壓門限或者高于過壓門限時(shí)，通過將MOSFET關(guān)斷以保護(hù)后續(xù)電路。

設(shè)計(jì)要求：正常工作時(shí)，輸入電壓VIN范圍為50V±10%（即45～55V），電路板中掛在VIN上的負(fù)載芯片，允許電壓最大極限值為65V。

設(shè)置過壓門限和欠壓門限的分壓電路如圖1.25所示。根據(jù)以上要求，設(shè)計(jì)者使用了5%精度的電阻。

【討論】

由于OV和UV門限的考慮方式相同，所以只以O(shè)V為例。

參考ADI公司本案例所用芯片手冊中對OV門限參數(shù)的定義，如圖1.26所示。

該參數(shù)的典型值為3.5V，最小值為3.43V，最大值為3.56V。

下面根據(jù)參數(shù)值推算本電路的過壓門限。在推算過程中，需考慮芯片手冊O(shè)V 參數(shù)值的偏差、分壓電路電阻阻值的偏差（分壓電路采用了精度為5%的電阻）。為方便起見，圖1.25中已經(jīng)標(biāo)出了各電阻阻值的最小值、典型值、最大值，在下面的過壓門限值的計(jì)算中，可以直接使用。

① 過壓門限最小值。

取電阻阻值依次為47.4kΩ、1.15kΩ、3.32kΩ，OV門限取最小值3.43V。

相對應(yīng)的過壓門限最小值為3.43V/（3.32kΩ）×（47.4kΩ+1.15kΩ+3.32kΩ）=53.6V。

② 過壓門限典型值。

取電阻阻值依次為49.9kΩ、1.21kΩ、3.16kΩ，OV門限取典型值3.5V。

則過壓門限典型值為3.5V/（3.16kΩ）×（3.16kΩ+1.21kΩ+49.9kΩ）=60V。

③ 過壓門限最大值。

取電阻阻值依次為52.4kΩ、1.27kΩ、3.00kΩ，OV門限取最大值3.56V。

相對應(yīng)的過壓門限最大值為3.56V/（3.00kΩ）×（3.00kΩ+1.27kΩ+52.4kΩ）=67.2V。

經(jīng)以上計(jì)算，可以求出該電路過壓門限值的典型值為60V, 考慮偏差后，參數(shù)值范圍為53.6～67.2V。

再回顧設(shè)計(jì)要求，正常輸入VIN范圍為45～55V, 在這個(gè)范圍內(nèi)監(jiān)測電路不能觸發(fā)過壓保護(hù)；負(fù)載芯片耐壓最大值為65V，過壓保護(hù)門限應(yīng)低于65V，才能實(shí)現(xiàn)對負(fù)載芯片的保護(hù)。

依據(jù)以上關(guān)系繪制出圖1.27。

設(shè)計(jì)的保護(hù)電路，過壓門限典型值為60V，滿足以上要求。但若考慮參數(shù)值偏差，過壓門限可能低至53.6V，高至67.2V，則依據(jù)圖1.27，可能使電路存在兩個(gè)隱患：

隱患1 :輸入電壓VIN為53 .6～55V時(shí)，仍屬于正常范圍，但過壓監(jiān)測門限范圍最低會(huì)到53.6V，所以，在該正常的輸入電壓范圍內(nèi)卻可能觸發(fā)過壓保護(hù)，MOSFET 斷開，負(fù)載斷電。這種情況屬于誤報(bào)過壓。

隱患2 :若因異常導(dǎo)致輸入電壓VIN高于65V，可能導(dǎo)致負(fù)載芯片損壞，但過壓監(jiān)測門限范圍最高會(huì)到67.2V，所以，該異常的，甚至災(zāi)難性的電壓發(fā)生時(shí)，可能無法觸發(fā)過壓保護(hù)。這種情況屬于漏報(bào)過壓，保護(hù)電路沒有起到應(yīng)有的保護(hù)作用。

那么，應(yīng)如何設(shè)計(jì)保護(hù)電路，才能滿足本案例的要求呢？

期望的情況是，將過壓監(jiān)測門限范圍設(shè)置為55～65V，如圖1.28所示。

仍使用ADI公司的該款監(jiān)測控制芯片，只需要修改分壓電路電阻的精度為1%，就能滿足以上要求。修改后，過壓監(jiān)測門限范圍為57.8～62.3V，計(jì)算過程不再贅述。

【擴(kuò)展】

通過本案例可以看出，在設(shè)計(jì)中涉及門限參數(shù)值的設(shè)定時(shí)，元器件參數(shù)偏差的影響很大，不能憑感覺估計(jì)，必須根據(jù)元器件偏差進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算。一個(gè)好的設(shè)計(jì)習(xí)慣是，將門限范圍計(jì)算結(jié)果標(biāo)在原理圖上，便于原理圖完成后的設(shè)計(jì)評審。

從本案例可以看出，原設(shè)計(jì)是存在隱患的，但希望通過測試來發(fā)現(xiàn)該隱患是很困難的。原因如上文所述，測試電路板所用元器件的參數(shù)值雖然存在偏差，但根據(jù)正態(tài)分布（假定器件參數(shù)值滿足正態(tài)分布），參數(shù)值最大可能性仍然位于標(biāo)稱值附近，這樣得到的測試電路板的過壓門限大致也位于標(biāo)稱值60V 附近，并不會(huì)觸發(fā)電路異常。只有在批量生產(chǎn)之后，當(dāng)樣本數(shù)目足夠多了，原設(shè)計(jì)隱患才能暴露出來。因此，僅僅依靠研發(fā)測試，很多時(shí)候無法在批量生產(chǎn)之前暴露產(chǎn)品由于參數(shù)偏差而存在的隱患。電路參數(shù)計(jì)算是研發(fā)測試的重要補(bǔ)充之一。

以上案例來自電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域知名專家-王老師《高速電路設(shè)計(jì)進(jìn)階》著作內(nèi)容其一案例！