集成电路过流保护：基于 hiccup 模式的设计与解析
在集成电路领域，过流保护（Over Current Protection，OCP）是确保电路稳定与安全运行的关键防线。当被保护元件中的电流超过预先设定的某个数值时，保护装置迅速启动，有效规避因电流过大对板卡或者系统造成二次危害的风险。随着电路集成度的不断提升，从板卡级的过流保护元器件（如保险丝）以及分离元器件搭建保护电路，到如今芯片级过流保护的广泛应用，技术发展日新月异。
芯片级过流保护能够在输出负载发生短路或者输出功率过大可能烧坏芯片的危急时刻，精准限制芯片的输出功率。其主要包含两种模式：打嗝模式（hiccup）与锁定模式（Latch off）。其中，hiccup 模式以恒定电流存在，通常是可恢复的，一旦故障解除，便能自动恢复；而 Latch off 模式则是锁定关闭，即使故障解除也无法自行恢复，需重启才能恢复正常。这两种模式分别类似于板级的限流保护及关断保护，各有适用场景与优劣。今天，我们将聚焦于国科安芯的 ASP3605 芯片，深入探究其内部的过流保护设计 ——hiccup 电路的精妙之处。
一、ASP3605 芯片概述
ASP3605 是一款高效同步降压调节器，具备诸多卓越特性。其输入电压范围为 4V 至 15V，适用于双锂离子电池输入以及 12V 或 5V 负载端电源应用。芯片能够输出高达 5A 的电流，工作效率最高可达 94%。工作频率可通过外部电阻器从 800kHz 到 4MHz 进行灵活编程，满足不同应用场景对频率的需求。得益于其集成的功率 N 沟道 MOSFET，以及电流控制模式，ASP3605 具有良好的负载、线性调整率，可实现多相操作，最多支持 12 相级联。
二、ASP3605 芯片的 hiccup 式过流保护设计
（一）工作原理
ASP3605 芯片采用 hiccup 模式的过流保护电路设计，这一设计巧妙而高效。在正常工作状态下，芯片持续监测输出电流，确保其在安全范围内稳定运行。当输出负载发生短路或者出现其他异常情况，导致输出电流即将超过芯片所能承受的最大电流阈值时，过流保护电路迅速启动。此时，芯片停止向负载输出功率，并进入打嗝模式。
所谓打嗝模式，是形象地比喻其工作状态类似于人打嗝时的间歇性停顿。具体而言，芯片的功率输出短暂关闭，经过一段预设的短暂延时后，又重新尝试开启输出，形成周期性的间歇工作模式。这期间，芯片持续监测负载情况，若故障仍未排除，将继续保持打嗝模式，直至故障解除。
（二）优势
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可恢复性 hiccup 模式的显著优势在于其可恢复性。对于一些偶尔出现的过流故障，如负载端的瞬时短路或者电流尖峰，无需人工干预，只需等待故障自行消失，芯片便能自动恢复正常工作。这大大提升了系统的稳定性和可靠性，尤其适用于工作环境复杂、可能出现瞬时故障的应用场景，如便携式仪器、电池供电设备等。
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降低热应力 与传统的保险丝等不可恢复的过流保护措施相比，hiccup 模式避免了因过流导致的熔断和重启过程中的热冲击。芯片在打嗝模式下，通过间歇性输出，有效降低了自身以及周边电路元件的热应力，延长了芯片的使用寿命，同时减少了因过热可能导致的其他潜在故障风险。
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精准保护与快速响应 ASP3605 芯片的 hiccup 模式过流保护电路能够精准地检测过流情况，并在极短时间内做出反应。其通过内部高精度的电流检测电路，实时监测输出电流变化，一旦电流超过预设阈值，立即启动保护机制，确保芯片以及相关电路免受过流损害。
（三）参数与测试
ASP3605过流保护的指标是最小6A，典型值为7A。
在讨论该电路之前，我们先给出芯片过流保护的测试方法。
测试流程：1. 确定输出挡位，给芯片输入电压；2. 连接电子负载，逐渐增加电子负载的值；3.示波器查看输出电压的变化；4.输出电压就会被拉低的时刻对应的负载电流即为限流点，限流以后PIN脚SW波形为低。
测试方法：调节电子负载，缓慢升高负载电流，直到VOUT没有输出，记录当前电流
测试条件：FCM模式
连接图：
测试条件：FCM模式
测试数据：
| 输入电压 | 工作频率 | 输出电压档位限流点 | ||
| 1.2V | 2.5V | 3.3V | ||
| 5V | 1MHz | 6.05A | 5.99A | 5.87A |
| 8V | 6.24A | 6.24A | 6.31A | |
| 12V | 6.21A | 6.44A | 6.52A | |
通过测试数据可以看出，ASP3605的过流点稳定在6A左右。
ASP3605芯片采用的设计方式主要是采用PWM调制模式，定频调宽。过流保护主要是通过限制脉冲宽度来达到限流的作用，具体原理如下。
为了便于理解，这里先说明系统的工作模式。
当输出负载电流增加，输出电压VOUT将会发生略微下降，误差放大EA将反馈电压VFB与基准电压0.6V的差值放大，即compin电压将会上升，进而增加TONCTL的频率，使得功率MOS管开启时间增加，输出电流能力增强，匹配输出负载电流。也就是说compin的电压决定了功率MOS管的开启时间。
在这个工作模式下，我们限定了误差放大器的输出compin存在一个最大值Compin_max，也就是功率MOS管将会存在一个导通时间的最大值，也就间接限定了输出电流的能力，从而达到过流保护作用。
根据以上的描述，一方面，我们可以通过调整compmin_max电压的值来调整限流点；另一方面，也可以在保证输出挡位的情况下，调整OP2下方电阻的值，调整（减小）TONCTL的电压跳变点，进而调控（减小）过流保护节点。总之，调控限流点的核心在于调整功率MOS管的最大开启时间。
当然，3605芯片内部还有过压保护电路，输出短路保护等重要安全性指标，关于这些电路的设计，我们会在后面的文章里逐步给大家介绍。