異步Boost升壓電路的短路保護如何設計？

Boost電路應用于低電壓升高電壓的場(chǎng)合，目前DC-DC主流的Boost電路都是異步升壓，同步Boost升壓芯片較少。異步Boost芯片電路設計相對簡(jiǎn)單成本也較低廉，廣泛應用于手持終端設備、玩具、LED照明、DVB等。在異步Boost芯片廣泛應用的同時(shí)，有個(gè)令人擔憂(yōu)的隱患，輸出端短路后可能造成設備損壞或引發(fā)事故?；诖?，經(jīng)常有工程師咨詢(xún)異步Boost升壓電路如何做短路保護設計?關(guān)于升壓Boost短路保護問(wèn)題，大家可以踴躍去論壇發(fā)帖，歡迎廣大對此感興趣的工程師參與交流討論！

某品牌DVB應用BOOST升壓芯片12V to 13V/18V，工作電流最大不超過(guò)500mA。用的芯片是AP2008，這是一款異步PWM控制升壓芯片，開(kāi)關(guān)頻率1MHz，開(kāi)關(guān)管限流值2A，開(kāi)關(guān)管RDSON典型值200mΩ，基準電壓0.6V，輸入工作電壓范圍3V~25V，輸出最高電壓可達25V。你瞧，這問(wèn)題就來(lái)了：短路后BOOST芯片會(huì )保護嗎？而且一浪更比一浪強：短路會(huì )損壞電路板上其它任何元件嗎?像這樣的問(wèn)題同樣困擾到你了嗎？別擔心馬上給你答復，上圖：

原理圖

圖為簡(jiǎn)化的應用電路，為了分析方便，只討論12v-18v的部分電路，典型的異步BOOST升壓電路。

在回答問(wèn)題之前，我們先得弄清楚輸出端短路后會(huì )發(fā)生什么?假設1，12V供電電源是理想電源，二極管D1恒壓降為1V，芯片內部NMOS導通壓降為1V，L1為純電感，短路時(shí)刻初始電流為IL0。

短路后電感電流的瞬態(tài)方程

其中vin=12V，L1=10μm，IL0為短路時(shí)刻前初始電流，短路后電感兩端壓降始終為Vin-1V。AP2008開(kāi)關(guān)頻率f=1MHZ，則開(kāi)關(guān)周期T=1μS，一個(gè)開(kāi)關(guān)周期時(shí)間，電感電流IL(1L)=1.1A+1L0，依次計算1L(2T)=2.2A+1L0，1L(3T)=3.3A+1L0，···，1L(10T)=11A+1L0短路后1T-10T這段時(shí)間，電感始終都在儲能，電感電流快速線(xiàn)性上升，在10T后就能達到至少11A的電流。短短10μS電流上升到11A，很難想象電感、二極管、IC誰(shuí)先悲劇吧?假設NMOS導通壓降1V是方便列寫(xiě)電感電流的暫態(tài)方程，為了分析真是的短路過(guò)程，現在我們回到VDS=id*Rdson。集中精力來(lái)一起分析：短路后，FB檢測到0V電壓，IC會(huì )以最大導通占空比的方式試圖達到18V。在電感電流上升到2A之前，IC內部NMOS最大導通壓降VDS=2A*0.2Ω=0.4V較二極管D1的導通壓降低，IC內部NMOS導通占空比90%，二極管導通占空比只有10%，因此IC承受的電流應力比二極管D1要大。經(jīng)過(guò)約2T的時(shí)間電感電流上升到2A，電感飽和，芯片限流也開(kāi)始起作用，轉折點(diǎn)出現。眾所周知電感隨著(zhù)電流的磁芯會(huì )飽和，此應用電路電感飽和和電流選型2A是非常合理的，約2T后電感電流上升到至少2.2A，電感磁芯趨于飽和，電感電流由線(xiàn)性轉變?yōu)橹笖翟黾?，急速上升的電感電流就像泄堤的水流，IC內部限流動(dòng)作跟不上，泄堤的電感電流會(huì )貫穿NMOS，IC限流在延遲一段時(shí)間后才會(huì )檢測到過(guò)流信號，從而關(guān)斷NMOS，NMOS關(guān)斷后電感電流完全流過(guò)二極管D1。這里有個(gè)前提和細節需要說(shuō)明下：a.電感的線(xiàn)徑滿(mǎn)足2A規格，飽和后不會(huì )率先燒斷銅絲。b.當電感電流達到2A以上時(shí)，VDS>0.4V，NMOS導通時(shí)二極管也會(huì )導通起到分流作用，IC限流檢測雖然有延遲，但該延遲時(shí)間遠小于T*10%，NMOS關(guān)斷后不會(huì )有電流流過(guò)，而二極管是一直流過(guò)電感電流的。2T后電感電流急劇增加，二極管承受電流應力遠大于IC，因此二極管會(huì )先損壞。二極管損壞燒斷，電感產(chǎn)生反向感應電動(dòng)勢將IC高壓擊穿！

電路圖

假設2，12V電源供電能力不強，實(shí)際的電源都會(huì )有最大帶載能力和短路保護功能。當輸出短路后，電感電流持續增加，當增加到過(guò)載電流后，電源會(huì )進(jìn)入保護模式。過(guò)載或短路的電流依然較大，至于電感、二極管、IC會(huì )不會(huì )壞。取決于電感的線(xiàn)徑、二極管耐電流沖擊能力，如果二極管燒斷和假設1的結論一樣，如果是電感燒斷，IC和二極管都不會(huì )壞。

分析了短路后發(fā)生的一系列連鎖反應，可以看出異步升壓電路在短路后是有風(fēng)險的。那么我們該如何做保護設計呢？

下面我們先來(lái)看一個(gè)保護電路，大家可以看看該電路能否起到短路保護的作用？

上圖的電路很明顯是不能作為短路保護來(lái)應用的，這只是一個(gè)過(guò)流或限流保護電路。最終輸出端電流被限定在設定值，而MOS管會(huì )承受幾乎全部的壓降，極大的功耗Imax*Vdd，易將MOS燒壞。

從這個(gè)例子可以看出，短路保護不能等同限流保護，所以我們必須重新思考。短路保護的基本要求：1.短路響應速度要快，及時(shí)保護器件不被燒毀。2.短路后的功耗要很低或完全關(guān)斷輸出。3.短路故障解除后要能恢復?；谶@三個(gè)要求，設計出的短路保護電路才是實(shí)用的。按短路保護的方式可分為三大類(lèi)：1.短路電流折回保護方式；2.打嗝保護(開(kāi)關(guān)波重復開(kāi)啟)；3.短路自鎖關(guān)斷輸出。前兩種方式的短路功耗較大，常用于要求短路解除后能自恢復的電路中，像BUCK芯片一般都有降頻打嗝模式的短路保護，這類(lèi)保護電路設計較復雜些，需要用運放、比較器或555定時(shí)器等。下面我們來(lái)看下第三種保護模式——短路自鎖關(guān)斷輸出。

一種簡(jiǎn)單自鎖短路保護電路

自動(dòng)復位開(kāi)關(guān)可以用單片機的I/O口控制或機械輕觸開(kāi)關(guān)控制，上電后先給自動(dòng)復位開(kāi)關(guān)置高電平，Q102導通，Q101導通，AP2008升壓工作，輸出電壓建立18V，通過(guò)Z101、D101、R103維持Q102導通，此時(shí)把自動(dòng)復位開(kāi)關(guān)置低電平。這樣一個(gè)自成反饋的升壓電路可以穩定的運行，當短路發(fā)生后，輸出電壓為0V，Q102關(guān)斷，Q101關(guān)斷，輸出電壓為0，短路電流為0，形成自鎖狀態(tài)。當短路故障解除后，需要再次開(kāi)啟自動(dòng)復位開(kāi)關(guān)，等輸出電壓建立后再將自動(dòng)復位開(kāi)關(guān)關(guān)斷。

總的來(lái)說(shuō)，電路沒(méi)有必要太花哨，保護電路都是用純硬件實(shí)現的，在短路故障發(fā)生后，其中一個(gè)開(kāi)關(guān)會(huì )被立即關(guān)斷鎖死；短路故障解除也很簡(jiǎn)單，輸入端重新上電即可。