开关电源过流保护电路时序分析和研究

过流保护电路的设计，在开关电源设计中是一个非常重要的环节，它对于提高电源工作的安全可靠性，整个电源系统的电力保护，终端使用的电性能稳定性，延长电源的使用寿命都起着十分重要的作用。在设计过流保护电路时，一方面要保证其功能完善，工作稳定可靠；另一个方面应力求简单明了可控，避免出现繁复。过流保护电路只是开关电源当中的一类保护电路，产品设计的同时必须具备过流、过压、欠压、过热等保护功能，在设计时应首选保护功能齐备的开关电源模块，并且其保护电路的技术参数应与用电设备的工作特性相匹配，以免损坏用电设备或者开关电源。

当出现负载，过载，短路或控制电路失效等意外情况时，流过稳压器中开关三极管的电流过大，使管子功耗增大，发热。如果没有过流保护设计装置，大功率开关三极管就很可能会被损坏，故而在开关稳压器中的过流保护是常用的。通过集成芯片的发展，当过流保护电流出现异常情况时，电源会自动关断与恢复，不会对开关电源上的电子元器件产生大电流而损伤。一般情况下，出现异常的过流保护都是硬件上面的问题，本文通过维修与研究过流保护电路中电路设计结构和实际运行情况，分析了过流芯片对过流保护电路的各路时序保护动作对开关电源产品的影响。所有的类似保护电路万变不离其宗，分析研究一类时序问题，其它的同类问题可以迎刃而解。

1 失效案列分析

1.1 案列概述

某主输出为 4.5V 的工业 LED 电源，在使用了 1 年 6 个月的时间陆续出现过流保护不能恢复且频繁开关机时电源不能起机，电源指示灯无法闪烁的现象；经过初步分析为过流保护控制 IC3 TI LM258 更换成 ST LM258 芯片后，芯片与电路设计未进行长时间的验证使用，OCP 保护后再次起机出现时序混乱的情况，误报现象，导致电源自动保护。

1.2 测量分析

(1) 直观目视法: 直接观察元件面，锡面等位置无异常，损坏等现象, 排除贴片破损，少件和焊接等情况。

(2) 电压测量法 : 量测电源正常输出时，输出的电压正常为 4.5V，仅在 OCP 过载的情况下，电压出现跳动现象，输出电压不稳定，可初步确认为OCP 电路上面的异常情况。(3) 电阻测量法 : 量测 OCP 电路上面的电阻，电容，二极管和 IC 各引脚阻抗，未发现异常。测量IC3 各引脚阻抗如图1。

(4) 代换排查法 : 更换 IC3 和周边主要器件，不良现象还是与之前一样。更换 ST 的物料后，OCP 测试恢复正常。但是测量 TI 物料各引脚参数均正常。目前还无法判断是TI 物料造成的不良，还需要更进一步分析原因。

2 失效物料特性分析

2.1 ST LM258 物料更换为 TILM258 物料差异性排查，功能原理对比。

(1) 两款 IC 运放电路对比，输入、输出逻辑一致，无明显差异。ST 运放电路通过恒流源的管控， IN+ 与 IN- 的比较来控制 Output 的高低电平， IN+ 是参考 Vref 引脚，IN- 是 Inverting input voltage 引脚 , 当 IN- 输入高电平时，Output 输入低电平；相反，当 IN- 输入低电平时，Output 输入高电平。此电路中 IN+ 电压应高于 IN-，主 IC 的soft start 引脚不被启动保护。 TI 运放电路通过恒流源的管控， IN+ 与 NI- 的比较来控制Output 的高低电平， IN+ 是参考 Vref 引脚，IN- 是 Inverting input voltage 引脚，当 IN- 输入高电平时，Output 输出低电平；相反，当 IN- 输入低电平时，Output 输出高电平，所以工作原理没有差异。两款IC 电路对比如图2.

(2) 两款 IC 各引脚参数对比，基本一致，仅 ESD 防护 HBM/CDM 项有差异，但不影响电性功能。从规格书提供的数据对比可初步排除ESD 差异带来的影响。

2.2 ST LM258 物料更换为TI LM258 物料差异性排查，规格、性能参数对比与进一步分析。

(1) 两款IC 物料的参数逐一对比，输入和输出参数，工作温度和保存温度基本一致，未发现影响OCP 的差异。

(2) 通过对比物料的差异和工作原理，未发现影响 OCP 的根本问题点，周边的器件都未发现有不良情况，已经排除了物料影响，制程影响，唯独还有设计上面的排查需要进一步深入研究，IC 有同样的功能作用，参数也满足产品的需求，但是 IC 周边的电路如果出现设计上面的差异，直接会影响电源大批量生产的稳定性。

3 失效原理分析

3.1 仪器监测法量测时序与电平

借助仪器仪表来监测电气性能，判断故障部位，这是不可缺少的一个环节，不但用于故障的分析和检修，还要用于整机维修后的各种性能的检验。利用负载机，示波器，对故障电源做综合性的检查。做过电流保护 (OCP)，检查电源电路是否合格，与设定值有没有很大的偏差。利用示波器，在分析中可监测电路中关键点的电压波形，用来判断故障的根本原因，既然已经确定是 OCP 电路的问题，物料和制程已经排除，下面可以利用示波器检查电路设计上的异常。

(1) 根据 OCP 电路上的各个引脚，需要取 4 根电压探头，分别检测 PIN1,PIN2,PIN3和 VCCP 引脚，将探头放置于个引脚，各引脚波形颜色区分 ,PIN1 绿色、PIN2 黄色、PIN3 淡蓝色、VCCP 紫色；开启不良电源，OCP 启动保护后 IC3 的 PIN2 脚一直处于反转电压，比 PIN3 脚高出 1.5V 左右的电压，输出低电位，主 IC 的 softe start 一直处于低电平，导致 OCP 一直处于保护状态。从电路原理来看，VCCP 的时序必须与 PIN2 的时序保持一致，但是从实际测试出来的波形发现，PIN2 黄色波形一直与 VCCP 紫色波形时序不同步，总是提前跳往高电平处。参考以下波形如图3

(2) 对比 ST 的物料，将 ST 的 IC 安装在不良电源上，关机和 OCP 保护后，量测 IC的 PIN2 脚与 PIN3 脚不会发生反转，PIN2 脚比 PIN3 脚低 1.6V 左右，输出高电平，不会触发OCP 保护，PIN2 与VCCP 时序同步。参考以下波形如图4。

(3) 通过所抓波形发现，关机或 OCP 后 VCCP 电压会急速下降至 0V，TI 的 IC PIN2脚会飘高，比 PIN3 脚电压高出 1.5V 左右，为此在 PIN2 脚与 VCCP 脚上增加钳位二极管 D28 拉低电压，保证第 2 脚比第 3 脚电位低，输出高电平，不触发主 IC 的 Softe start引脚保护。

3.2 OCP 电路时序原理分析

(1) 拉低PIN2 脚电位同时，PIN2 脚的缓冲时序同时减小，保持与VCCP 同时被拉低，起到时序同步控制的作用。增加 D28 前掉电缓冲时序为 140ms , 增加 D28 后掉电缓冲时序为 128ms ，并与VCCP 保持同步。参考OCP 控制引脚时序改善前后如图5

(2) 测量关机后开机时序逻辑发现，关机后再次通电起机无输出，首先 VREF 参考电压上升，提供 PIN3 基准电压，PIN3 电压升起为 5V; 此时 VCCP 电压未上升，但 PIN2在逐步上升，当 VCCP 上升到 10.7V 时，第 2PIN 在 8ms 时高于第 3PIN，PIN1 输出低电位，比较器反转，相当于触发 OCP 保护。此为时序混乱，PIN2 未与 VCCP 同步。增加钳位二极管 D28，关机后再次通电开机，输出正常，首先 VREF 参考电压上升，提供 PIN3基准电压，PIN3 电压升起到 5V，当 VCCP 供电过来前后，PIN2 脚被钳位二极管钳住电位，与 VCCP 保持同步电压，输出 PIN1 保持高电位，未触发 OCP，输出正常。OCP 控制引脚电压改善前后对比如图6

4 结论

开关电源过流保护电路中的时序分析以本文为例，定义为 PIN2 未与 VCCP 同步，再次起机时序混乱，运放器PIN2 与PIN3 反转触发OCP，导致开关电源过流保护后无输出；增加D28 钳位IN4148 二极管后，开关机与OCP 后输出正常，IC3 的运放器PIN2 脚过流后保持低电平，PIN3 脚保持高电平，反相运放器输出高电平，PIN2 与 VCCP 始终保持同步时序与电压控制，经过可靠性实验验证可行。

参考文献

[1] 吕祥; 韩耀锋; 郭建; 张博伦; 孙强; 郭俊超; 侯风乾; 李龙骧. 开关电源过流保护电路设计研究 2020（05）：37-38+30

[2] 赵卫 . 开关电源的过流保护电路 2011(06):116-117

[3] 马健 . 开关电源过电流保护电路设计研究 2019(08):123-124

[4] 赵利华 . 开关电源的工作原理及技术趋势 2021(06):129-130

作者简介

张晔（1985-），男，湖南省邵阳市人，本科学历，工程师。

研究方向为开关电源失效分析技术研究及质量体系管理。