NEST035 April 2019 SN74AUP2G00 , SN74HC00 , TPS53511
電源轉換器的設計通常可避免不必要的故障狀況。舉例來說，若轉換器輸出消耗太多電流，可能會啟動過電流保護。若轉換器的輸出端子意外短路或是負載電流高於設計的最大電流，此功能將十分實用。其他常見的故障狀況包括超過過熱自動關機跳脫點 (過熱)，以及輸出電壓超出限制 (過電壓或欠電壓)。
對故障做出回應的常用方式稱爲打嗝。電源轉換器將自動關閉並等待一段時間 (例如 30 ms)，然後再自動重新啓動。圖 1 會顯示此回應的範例、測量輸出電壓與電感器電流。打嗝故障回應使系統有機會在沒有外部干預的情況下復原。此外也有助減少輸出短路時所消耗的電源與產生的熱能。
圖 1 過電流情況造成的打嗝故障回應。有時不需要打嗝回應。您可能會希望中央控制器以更複雜或精密的方式管理故障回應。某些系統內建備援，且希望完全關閉故障子系統，以確保其不會干擾正常執行的子系統。在這些情況下，所需的故障回應可能是閉鎖故障電源轉換器。閉鎖電源轉換器可防止其重新啓動，除非啟用 (EN) 針腳或循環供應電壓以重設閂鎖。某些裝置 (例如 TPS53511) 具有內建閉鎖回應，但大多數設備沒有。
您可透過簡易的設定/重設 (SR) 閂鎖電路，向電源轉換器新增閉鎖故障回應。圖 2 顯示 SR 閂鎖及其真值表。在此範例中，SR 閂鎖具備低電位作動輸入。這代表當輸入高時，輸出 Q 和 Q-Bar 不會改變。若設定的輸入變低，則 Q 會變高 (1)。若復位變低，則 Q 會變低 (0)。若兩個輸入皆為低，則輸出會處於未確定狀態，通常應避免發生這種情況。其他邏輯閘可以克服這種情況。
圖 2 具有低電位作動輸入和對應真值表的 SR 閂鎖。圖 2 說明執行閂鎖電路的高階方法。許多電源轉換器和監控電路皆有電源良好 (PGOOD) 輸出。若轉換器發生故障，PGOOD 信號將會拉低，表示轉換器出現問題。當 PGOOD 訊號變低時，閂鎖電路 (Q) 的輸出會將變高，進而拉低轉換器的 EN 針腳。當 EN 針腳變低時，轉換器將關閉且不會自行重新啟動。傳送至閂鎖的重設訊號會重新啟動轉換器，並使 Q 輸出變低，進而使 EN 針腳變高。系統內建可精簡介面的逆變器；其採用開汲極金屬氧化半導體場效電晶體 (MOSFET) 實作。
圖 3 閂鎖電路概述與範例訊號圖。即使 PGOOD 訊號較低，您也需要確認轉換器可正確啟動或重新啟動；因此您需要將閂鎖電路設為復位主導型。也就是說，當設定與復位輸入皆為低時，復位輸入將居主導地位，導致 Q 輸出偏低。圖 4 顯示了僅使用 NAND 閘的簡化實作，以及相應的真值表。您可使用兩個雙 NAND 閘 SN74AUP2G00 積體電路 (IC) 或一個四 NAND 閘 SN74HC00 IC 建立此電路。
圖 4 使用 NAND 閘和相應的真值表重設復位主導型閂鎖電路。圖 4 顯示閉鎖電路的整體實作。電源轉換器的 Pgood 針腳會利用外部電阻 (最高 3.3 V) 拉高。只要發生故障，連接至 PGOOD 的開汲極 MOSFET 將拉動 S-bar 輸入至低閂鎖。接著 Q 輸出會拉高，進而開啟 MOSFET S1。EN 針腳會拉低，進而關閉轉換器並防止打嗝模式自動重新啟動。當轉換器輸入電壓軌 (PVIN) 上升時，透過寄生閘極至汲極電容 (C gd) 的電容耦合 可能會在 S1 的柵極上拉並開啟。S1 閘的下拉電阻可協助確保 S1 不會意外開啟。
圖 5 可復位閉鎖電路。針對 SR 閂鎖的 R-Bar 輸入會透過 100- kΩ 電阻拉高。只要針對 S2 閘提供復位訊號，開汲極 MOSFET S2 就可以將 R-Bar 訊號拉低。電容 (C，與 S2 並聯) 與上拉電阻 R 形成延遲電路。在此範例例中，延遲的 RC 時間常數約為 47 ms。此延遲可供調整，以確保 R-Bar 輸入在啟動期間保持低位。R-Bar 上的慢緣速率可能會因電流消耗過大而損壞某些互補金屬氧化物半導體 (CMOS) NAND 閘的輸入。然而，SN74AUP2G00 閘並會因此損壞，這是因為其驅動器相對較弱。
另一種方法是使用施密特觸發器輸入 NAND 閘，或在 R-Bar 輸入端新增施密特觸發器緩衝器。在第三個選項中，開關 S2 可持續開啟以在啟動期間拉低 R-Bar，而透過調整 R 和 C 值可減少或完全去除 RC 延遲。
您可將此處說明的電路，運用在需要閉鎖故障回應的各種電源轉換器應用中。閉鎖電路使用幾個簡易的元件和邏輯閘，以實現彈性、可靠的解決方案。