如何保護升壓負載及其電源

　　輸出短路故障、過(guò)載條件、其它故障條件、以及啟動(dòng)時(shí)的高電容會(huì )嚴重增加輸入電源負擔，或者使輸入電源出現故障，以及損壞負載。負載本身的要求十分苛刻，甚至需要比主輸入電源提供的電壓還要高的電壓。這些條件和要求導致輸入電源過(guò)度設計或負擔過(guò)重，特別是在需要升壓負載時(shí)更是如此。升壓轉換器是針對更高電壓負載的常見(jiàn)選擇，它的問(wèn)題在于本身無(wú)法為下游電路提供系統保護。這是輸入到輸出的固有導通路徑造成的；這條路徑進(jìn)一步增加了主電源的負擔，并且降低了系統可靠性，特別是在故障或過(guò)載條件下。

　　例如，在低壓電池供電系統中，負載所要求的電壓可以高于主電源所能提供的電壓。通過(guò)電纜提供固定總線(xiàn)電源的工業(yè)系統和具有高效功率放大器的通信系統經(jīng)常需要由一個(gè)寬輸入范圍DC/DC穩壓器提供升壓電壓。

　　一個(gè)升壓電源具有某些系統優(yōu)勢。在具有較大配線(xiàn)線(xiàn)束的系統中，高壓減少了傳送總電源所需的線(xiàn)規。汽車(chē)行業(yè)已經(jīng)通過(guò)深入研究48V電池來(lái)分析昂貴、笨重電纜線(xiàn)路所帶來(lái)的問(wèn)題。RF發(fā)射器等具有高功率放大器的系統從全新晶體管的高電源電壓供電運行中找到了提高效率、增加輸出功率密度的方法。某些任務(wù)關(guān)鍵系統需要通過(guò)電容儲能來(lái)儲備電能，這就需要在更高的電壓下具有更少的電容值 （E=1/2*C*V2）。一個(gè)升壓維持電路可實(shí)現更小的解決方案尺寸。

　　如果沒(méi)有將升壓轉換器的本身限制考慮在內的話(huà)，就會(huì )降低系統可靠性，并增加系統成本，從而導致系統中其它部分的過(guò)度設計。一個(gè)升壓電路本身具有從輸入到輸出的導通路徑（圖1）。即使當轉換器關(guān)閉時(shí)，電流也可以通過(guò)升壓 二極管或同步功率FET體二極管流到輸出端。

　　（a） 非同步升壓

　　（b） 同步升壓

　　如果是重電容負載，主電源或電池必須能夠耐受涌入電流造成的負擔，這是因為升壓轉換器不提供任何的負載隔離。

　　在沒(méi)有單獨的電流限流機制時(shí)，會(huì )導致主電源超出要求。在報警系統等需要備用電池的系統中，未受控制的電流消耗會(huì )影響電池可靠性，或者需要更大容量的電池。甚至是已經(jīng)預料到的重負栽條件也會(huì )導致受限電源（比如說(shuō)一塊電池）供電能力下降；下降的程度足以使其它系統電壓軌上的電路臨時(shí)斷電，并會(huì )產(chǎn)生意外的系統重啟。在沒(méi)有涌入限制或協(xié)同加電排序的情況下，電源總線(xiàn)會(huì )根據最大電源電流能力，來(lái)限制可允許的模塊數量。

　　諸如過(guò)載時(shí)發(fā)生的電機堵轉等故障負載會(huì )汲取大電流。噴射器中使用的螺線(xiàn)管是另外一個(gè)會(huì )出現短路故障的負載示例。電機的可插拔模塊也許需要一個(gè)升壓電壓軌（由主系統提供）在可拆卸組裝中節省空間和成本，但也會(huì )在熱插拔期間從主電源汲取過(guò)多的電流。未受保護的升壓轉換器未配備減輕這些風(fēng)險的設備；它只是將負擔加到了電源上。設計人員經(jīng)常通過(guò)主電源的過(guò)度設計，或者過(guò)度使用來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，不過(guò)某些簡(jiǎn)單的限制和保護技術(shù)可以節省系統成本，并增加可靠性，即使在升壓負載已出現故障時(shí)也是如此。

　　保護方法

　　最簡(jiǎn)單的限流系統配置是采用一個(gè)負溫度系數 （NTC） 熱敏電阻（圖2）。借助冷卻時(shí)的高阻抗，初始時(shí)，NTC在啟動(dòng)期間限制涌入電流。隨著(zhù)自身功率耗散產(chǎn)生的自發(fā)熱不斷增加，阻抗減少，從而使更多的電流流過(guò)。這個(gè)方法的優(yōu)勢在于其簡(jiǎn)單性，以及提供低成本保護解決方案。

　　然而在惡劣環(huán)境中實(shí)施這一系統配置時(shí)，劣勢就會(huì )顯現出來(lái)。在諸如汽車(chē)引擎艙等溫度大幅變化的環(huán)境中，環(huán)境溫度會(huì )變得很高，這會(huì )降低NTC的初始阻抗，如果不精心管理整個(gè)環(huán)境工作條件的話(huà)，會(huì )產(chǎn)生過(guò)多的涌入電流。如果出現重新啟動(dòng)的情況，NTC器件也許不會(huì )在下次加電之前冷卻。輸出電容也許完全放電，不過(guò)由于較慢的散熱速度，NTC對于涌入電流的限制功能降到最低點(diǎn)。此外，如果出現負載短路故障，NTC將不再能夠限制比所選標稱(chēng)運行條件下的電源電流更高的電流。最后，NTC 方法對于單一功能保護是有效的，不過(guò)它作為無(wú)源組件時(shí)功會(huì )受到限制。

　　圖3. 使用熱插拔的有源涌入電流限制

　　現在讓我們來(lái)看看MOSFET等有源限制器件：它需要一個(gè)類(lèi)似于涌入限制控制器的控制電路，這個(gè)控制器也被稱(chēng)為熱插拔控制器或電子熔絲。雖然這是一個(gè)位于控制器之前的額外集成電路 （IC），很多諸如此類(lèi)的控制器（圖3）特有可編程涌入限制功能，在確保MOSFET保持在安全工作區 （SOA） 內的同時(shí)，用一個(gè)電流和電壓控制環(huán)路來(lái)控制涌入率。SOA通過(guò)監視保持關(guān)鍵保護器件的長(cháng)期可靠性。此外，涌入控制器可能具有兩個(gè)電流閥值：一個(gè)針對標準涌入限制，第二個(gè)針對嚴重的過(guò)流情況執行斷路器功能。這個(gè)實(shí)現方式的顯著(zhù)優(yōu)勢就是可以實(shí)現高級保護特性；然而，這個(gè)解決方案的成本和復雜程度通常會(huì )大于無(wú)源方法。

　　第三個(gè)保護選項是具有集成涌入限制的升壓控制器。由于升壓的高端元件（續流二極管或同步MOSFET）不能反向，這個(gè)方法仍然需要一個(gè)額外的MOSFET作為保護器件。然而，如圖4所示，與熱插拔控制器方法相比，將升壓和保護控制集成在一個(gè)IC中有助于減少解決方案復雜度和尺寸，同時(shí)又提供了很多額外的保護特性。

　　圖4. 支持集成涌入電流限制的升壓控制器。

　　為最差情況選擇一個(gè)MOSFET

　　任何一個(gè)限制方法都需要縝密設計，以確保方案的穩健耐用，特別是要注意耗電器件。在使用MOSFET時(shí)，請確保將器件的安全工作區考慮在內。設定電流只是其中一個(gè)需要考慮的參數。在選擇MOSFET時(shí)，峰值關(guān)斷電壓（漏/源電壓），以及MOSFET將處于極端條件組合之中的時(shí)間長(cháng)度等因素都需要考慮在內。

　　根據系統設計要求的不同，用下方的方程式，通過(guò)計算這些情況下（涌入、輸出短路和突然電路斷開(kāi)）保護器件上的峰值能量，來(lái)幫助選擇一個(gè)具有足夠能量的MOSFET。

　　針對涌入注意事項的充電電能為：

　　在這里：

　　EINRUSH = 以J為單位的輸出電容器充電電能。

　　COUT = 以F為單位的最大輸出電容值。

　　VINMAX = 以V為單位的最大輸入電源電壓。

　　雖然輸出電容器充電電流的最差情況在最初看起來(lái)與短路情況相類(lèi)似，在MOSFET上真正的短路故障條件會(huì )更加嚴格。MOSFET必須能夠耐受的短路能量取決于：

　　在這里：

　　ESHORT = 以J為單位的短路保護能量。

　　IINRUSH（TH） = 以A為單位的涌入電流限制閥值。

　　tDELAY = 以秒為單位的延遲時(shí)間。

　　所選的保護控制器也許具有一個(gè)故障安全斷路器電流閥值，一觸發(fā)立即斷開(kāi)輸入。針對斷路器的電能計算與短路情況相似，不過(guò)具有一個(gè)由保護控制器（如果有的話(huà)）設定的不同電流閥值。MOSFET最差情況可耐受電能由控制器的響應或延遲時(shí)間計算得出。

　　在這里：

　　ECIRCUIT_BREAKER = 以J為單位的斷路器保護能量。

　　ICIRCUIT_BREAKER（TH） = 以A為單位的斷路器閥值電流。

　　需牢記的一點(diǎn)是，用MOSFET來(lái)實(shí)現保護功能可實(shí)現對于涌入或故障條件的快速響應，并且應該在MOSFET的輸出端上執行適當的電壓緩沖，以確保用于保護功能的器件不會(huì )對下游電路產(chǎn)生負面影響。在使用升壓電路時(shí)，保護器件之后的第一個(gè)直插組件就是主電感器。一個(gè)續流二極管可以管理保護MOSFET與電感器之間的任何電壓振鈴。它只在保護開(kāi)關(guān)快速關(guān)閉時(shí)才導電，特別是在斷路器位于電感器左側時(shí)更是如此（圖5）。

　　圖5. 輸入電壓瞬變抑制電路。

　　其它保護特性

　　重試定時(shí)器也許是你在選擇一款保護控制器時(shí)會(huì )考慮的另外一個(gè)特性，這一保護特性也被稱(chēng)為斷續模式。如果設備經(jīng)歷了時(shí)斷時(shí)續的過(guò)流故障，在無(wú)需整個(gè)系統重新啟動(dòng)的情況下，自動(dòng)重試也許對系統更加有利。斷續模式使得保護控制器能夠打開(kāi)MOSFET，并且在一段特定的時(shí)間內等待故障被解決，然后通過(guò)啟動(dòng)涌入控制序列來(lái)重試。如果故障依然存在，一個(gè)控制器也許會(huì )無(wú)限次地重試，或者在一定數量的重試后鎖存。

　　將MOSFET用作保護器件的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)現了一個(gè)原始的輸入過(guò)壓保護電路 （/）。通過(guò)在MOSFET的柵極上連接一個(gè)適當選擇的齊納二極管，FET的柵源電壓被二極管箝制，這使得MOFET隨著(zhù)電源電壓的增加被拉回到電阻運行。二極管的擊穿電壓設定了有效的輸出電壓鉗位值。MOSFET在電阻區內運行為線(xiàn)性穩壓器，不過(guò)有一點(diǎn)需要注意，那就是所允許的最大箝位時(shí)間受到MOSFET屬性的限制。

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　　作者：德州儀器 （TI）， Daniel Braunworth， Eric Lee