升压电源负载短路引发的问题和保护电路升压电源的输出短路保护电路

本文我们将探讨第二个主题“升压电源的输出短路保护电路”。
作为升压电源输出短路的保护示例,有“定时器锁存式短路保护”、“增加短路保护电路”、“使用半导体开关组成的过电流保护电路”、“连接具有限流功能的负载开关”四种方法。

定时器锁存式短路保护

升压型DC-DC转换器当VOUT低于VIN并接近0V时,电感器和整流二极管会有过大电流流过。如果低边开关在这种状态下导通,就会流过超过最大额定值的电流,从而可能导致低边开关烧损。为了防止这种问题的发生,有一些产品配备了定时器锁存式短路保护功能。当该定时器锁存式短路保护电路检测到输出电压显著下降时,会判断发生了短路而启动定时器,并在一定时间内停止开关工作。通过设开关间隔,可为过电流导致的发热量提供冷却时间,从而防止损害累积,并防止低边开关因过热而烧损。
*也有些产品没有定时器,只是用锁存器来停止开关工作,需要手动操作才能重新启动。
但这种产品无法阻止不受限制的电流流过电感器和整流二极管,因此无法防止这些产品被烧损。锁存器虽然起到了对电源IC本身的保护作用,但并不能保护电源电路。不过该功能在发生电源烧损事故时,有助于用来判断是电源IC导致的烧损还是负载短路的过电流造成的烧损。

增加短路保护电路

采用没有二极管整流或背栅控制功能的FET进行同步整流时,无法防止短路引发的过电流。要想防止烧损事故的发生,需要增加某种外部电路来切断电流路径。最简单的方法是添加保险丝,在发生过电流时切断电流路径。但是需要注意安装保险丝的位置。短路时产生的电流变化量,输出端要比输入端的大,因此从保险丝的额定电流和切实可靠的熔断方面来看,将保险丝安装在输出端更可靠。然而,如果在输出端使用保险丝,在短路引发的过大电流流过之后,输出会变为无负载,流过的电流会对输出电容器充电,电压会迅速上升。虽然电压上升多高取决于电感器中存储的能量和输出电容器的容量,但在最坏的情况下,可能会超过升压转换器低边开关的耐压能力,导致低边开关因过电压损坏。

ヒューズによる過電流保護

切实可靠地保护电路的方法是通过在输入端连接保险丝来切断电源。由于电源被切断,所以多余的能量会被短路负载消耗掉。使用保险丝保护电路是可靠且最廉价的方法,可以防止负载短路引起的烧损以及着火、冒烟等二次损害。但短路属于暂时性故障,使用保险丝保护电路时,即使从短路状态中恢复,电源也被切断了,无法自动恢复,需要更换保险丝等维护工作。

使用半导体开关组成的过电流保护电路

如果需要短路保护和自动恢复,则需要使用由半导体开关进行关断和恢复的过电流保护电路。在这种情况下,与上面提到的保险丝一样,需要考虑将其安装到输入端还是输出端。如果是FET开关,可以通过使两个寄生二极管相互反向的连接方式——背对背(Back to Back)连接来切断经由寄生二极管的电流路径。但是,采用这种连接方式时,由于死区时间内的寄生二极管失去了二极管整流功能,在因过电流而关断时,电感器的输出端将开路,会产生反电动势导致的高电压,从而可能会使低边开关因过电压损坏。

半導体スイッチによる出力側での過電流保護の注意点

不是简单的开/关控制,而是通过可进行单独栅极控制的寄生二极管控制和使用FET线性工作区域的恒流控制,在输出端也可以安全地配置短路保护电路。但是,这需要输出电流检测、输出短路检测、短路电流控制以及从短路状态恢复时的重启控制等各种控制,因此要实现这些功能,就需要非常复杂的外部电路。为了简化电源电路的设计,对于在输出端进行控制的升压电源而言,通常倾向于选用高性能多功能的电源IC产品,这种产品中不仅内置有高边开关,还内置有可进行寄生二极管的开/关控制和电流控制的控制电路。

半導体スイッチによる出力側電流制御と入力側での過電流保護

而在输入端增加截止电路时,则可以通过恒流限制或截止供电电流来阻止电流的增加,因此限制较小,配置也相对简单。然而,当高速切断电流时,由于快速释放电感器输入端而产生的反电动势会变成高电压,因此电感器输入端的电位会下降至负电压。所以,为了防止VDD被施加负电压而导致电源电路损坏,就需要增加续流二极管来给电感续流。

在升压电源的输入或输出端连接具有限流功能的负载开关

要给升压型DC-DC转换器增加短路保护功能,需要复杂的电路。通过在输入或输出端增加具有限流功能或短路保护功能的负载开关,可以防止过负载和输出短路时的过电流导致的烧损事故。如果安装在输出端,就需要处理负载开关切断电流时电感器中积蓄的多余能量。通过在输出电容器后连接负载开关,使输出电容器吸收能量,可以防止电压上升造成的过电压损坏。但是,要抑制多余能量充电所导致的电压上升,需要先确保输出电容器有足够的容量。

ロードスイッチによる過電流保護

如果安装在输入端,则不会发生电压上升的情况,但在恢复时电源电路的输入电容器和输出电容器将处于完全放电的状态。在这种情况下,由于重启时会对输入和输出电容器进行充电,从而会流过浪涌电流,所以需要使用具有软启动功能的负载开关来限制浪涌电流。

【资料下载】开关稳压器基础

本资料以降压型开关稳压器为主题,对其工作原理、功能等基础知识进行解说,同时也会说明它与线性稳压器的比较、同步整流与二极管整流、控制方式、辅助功能等内容。

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