一種DC／DC轉換器的短路保護電路設計

摘要 針對負載短路會(huì )對DC／DC造成性能不穩定或損壞的情況，提出一種新型短路保護電路，有效地避免了傳統電路在短路時(shí)大電流輸出造成的能量浪費。該保護電路采用在負載短接時(shí)，通過(guò)改變電流限比較器輸入端基準電壓達到降低電路最大輸出電流的措施。采用0．35μm BCD工藝將該電路應用于一款高壓同步BUCK型DC／DC轉換器中，specter仿真結果表明，當負載短路時(shí)，該芯片的短路電流只有30 mA，與傳統保護電路相比，降低了短路時(shí)的輸出電流，達到節約能量的目的。
關(guān)鍵詞 DC／DC；短路保護；電感電流最大值

DC／DC轉換器因其體積小、重量輕、效率高、性能穩定等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應用。隨著(zhù)單片集成技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)關(guān)變換器在精度和性能上的要求不斷提高。而DC／DC變換器作為系統內部能量使用者和外部能量提供者的接口器件，其性能和可靠性直接關(guān)系到系統的安全。作為功率處理器件，DC／DC變換器一直是系統可靠性設計的薄弱環(huán)節，其中過(guò)流和短路是實(shí)際工作中常見(jiàn)的兩種異常工作模式。當DC／DC變換器工作在過(guò)流或短路狀態(tài)時(shí)，若不能及時(shí)正確處理，不僅會(huì )加速元件老化，甚至會(huì )導致DC／DC變換器自身?yè)p壞，使整個(gè)系統陷于癱瘓，嚴重時(shí)還會(huì )引起觸電、火災等安全事故。因此，完善的短路保護設計是高可靠DC／DC變換器的基本要求。
DC／DC變換器是一個(gè)負反饋系統，它通過(guò)輸出電壓VOUT進(jìn)行得到的采樣信號FB與基準電壓VREF1進(jìn)行誤差信號，EA的輸出電壓COMP與通過(guò)電流采樣的電壓進(jìn)行比較輸出占空比可變的脈沖信號，來(lái)控制功率通道的導通時(shí)間，實(shí)現輸出穩壓。當VOUT較大時(shí)，通過(guò)減小占空比達到減小功率管MP的導通時(shí)間；反之，通過(guò)增大占空比達到增大功率管MP的導通時(shí)間。
當DC／DC變換器工作在短路狀態(tài)時(shí)，輸出電壓為零，輸出電壓的采樣電路無(wú)法正常工作，導致放大電路無(wú)法工作而使系統回路斷開(kāi)，DC／DC變換器處于失控狀態(tài)。對于峰值電流型控制，由于電流反饋環(huán)路的作用，保持電路工作在一個(gè)固定占空比，占空比的大小取決于EA輸出電壓的高嵌位電壓設計。但是，受電路中各種條件和因素的制約，難以將占空比控制到最小值達到降低短路時(shí)芯片的功耗。在輸出短路時(shí)，每個(gè)開(kāi)關(guān)周期功率管導通阻抗在大電流時(shí)產(chǎn)生大量的熱，并全部消耗在DC／DC變換器內部。若無(wú)短路保護措施，在短時(shí)間內，輸入電流變大，使DC／DC變換器的電流環(huán)路也工作在過(guò)載狀態(tài)，會(huì )因芯片過(guò)熱而影響其壽命；嚴重時(shí)造成DC／DC變換器輸入損壞。短路保護的主要目的是降低短路時(shí)的功耗。理想的保護方式是在發(fā)生短路時(shí)關(guān)斷功率通路，使DC／DC變換器不再損耗能量，但在故障消失時(shí)自動(dòng)恢復正常。評價(jià)短路保護的優(yōu)劣主要看短路時(shí)功耗的大小和短路釋放時(shí)能否及時(shí)恢復到正常的工作狀態(tài)。短路時(shí)電路的功耗越小，短路釋放時(shí)恢復到正常的工作狀態(tài)電路所需的時(shí)間越短，電路的可靠性越高。

1 傳統保護電路設計
由于過(guò)流和短路在原因和現象上的相似性，具備過(guò)流保護功能的電路也具備一定的短路保護功能。當輸出電流過(guò)大時(shí)通常采用過(guò)載保護電路將輸出電流控制在某一最大值，確保電路不會(huì )因為輸出電流過(guò)大而損壞芯片。

圖1中虛線(xiàn)中的電路為過(guò)流保護和短路保護放在一起的框架圖。當輸出短接到地時(shí)，此時(shí)采樣電壓FB為0，誤差放大器不能正常工作，其輸出COMP端電壓為高電平，若沒(méi)有短路保護電路，系統則以大電流輸出，直至燒壞整個(gè)芯片。傳統保護電路如圖1所示，當輸出短路時(shí)，通過(guò)電流采樣電路將輸出電感電流進(jìn)行采樣轉化成采樣電壓Vsense，與基準VREF2進(jìn)行比較，當Vsense大于VREF2時(shí)，關(guān)斷功率管MP。其Vsense與IL的關(guān)系

此時(shí)的電感電流較大，超過(guò)正常工作時(shí)的最大輸出電流，會(huì )因短路功耗大而縮短承受短路的時(shí)間，從而影響產(chǎn)品及系統的可靠性。因此，對過(guò)流和短路有針對性地分別設計保護電路，有利于提高產(chǎn)品的可靠性。

2 新型短路保護電路
圖2為新型含有短路保護電路的DC／DC變換器的整體框架圖。圖2中虛線(xiàn)部分的電路包含短路保護和過(guò)流保護兩種功能，該電路實(shí)現了將短路和過(guò)載兩種異常狀態(tài)分開(kāi)處理。