一種DC／DC轉(zhuǎn)換器的短路保護(hù)電路設(shè)計(jì)

摘要 針對(duì)負(fù)載短路會(huì)對(duì)DC／DC造成性能不穩(wěn)定或損壞的情況，提出一種新型短路保護(hù)電路，有效地避免了傳統(tǒng)電路在短路時(shí)大電流輸出造成的能量浪費(fèi)。該保護(hù)電路采用在負(fù)載短接時(shí)，通過(guò)改變電流限比較器輸入端基準(zhǔn)電壓達(dá)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(yīng)用于一款高壓同步BUCK型DC／DC轉(zhuǎn)換器中，specter仿真結(jié)果表明，當(dāng)負(fù)載短路時(shí)，該芯片的短路電流只有30 mA，與傳統(tǒng)保護(hù)電路相比，降低了短路時(shí)的輸出電流，達(dá)到節(jié)約能量的目的。
關(guān)鍵詞 DC／DC；短路保護(hù)；電感電流最大值

DC／DC轉(zhuǎn)換器因其體積小、重量輕、效率高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。隨著單片集成技術(shù)的發(fā)展，開關(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(tǒng)內(nèi)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(tǒng)的安全。作為功率處理器件，DC／DC變換器一直是系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)，其中過(guò)流和短路是實(shí)際工作中常見的兩種異常工作模式。當(dāng)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?xí)?dǎo)致DC／DC變換器自身?yè)p壞，使整個(gè)系統(tǒng)陷于癱瘓，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起觸電、火災(zāi)等安全事故。因此，完善的短路保護(hù)設(shè)計(jì)是高可靠DC／DC變換器的基本要求。
DC／DC變換器是一個(gè)負(fù)反饋系統(tǒng)，它通過(guò)輸出電壓VOUT進(jìn)行得到的采樣信號(hào)FB與基準(zhǔn)電壓VREF1進(jìn)行誤差信號(hào)，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(hào)，來(lái)控制功率通道的導(dǎo)通時(shí)間，實(shí)現(xiàn)輸出穩(wěn)壓。當(dāng)VOUT較大時(shí)，通過(guò)減小占空比達(dá)到減小功率管MP的導(dǎo)通時(shí)間；反之，通過(guò)增大占空比達(dá)到增大功率管MP的導(dǎo)通時(shí)間。
當(dāng)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(dǎo)致放大電路無(wú)法工作而使系統(tǒng)回路斷開，DC／DC變換器處于失控狀態(tài)。對(duì)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(shè)計(jì)。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(dá)到降低短路時(shí)芯片的功耗。在輸出短路時(shí)，每個(gè)開關(guān)周期功率管導(dǎo)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(nèi)部。若無(wú)短路保護(hù)措施，在短時(shí)間內(nèi)，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(yán)重時(shí)造成DC／DC變換器輸入損壞。短路保護(hù)的主要目的是降低短路時(shí)的功耗。理想的保護(hù)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(fù)正常。評(píng)價(jià)短路保護(hù)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(fù)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(fù)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(tǒng)保護(hù)電路設(shè)計(jì)
由于過(guò)流和短路在原因和現(xiàn)象上的相似性，具備過(guò)流保護(hù)功能的電路也具備一定的短路保護(hù)功能。當(dāng)輸出電流過(guò)大時(shí)通常采用過(guò)載保護(hù)電路將輸出電流控制在某一最大值，確保電路不會(huì)因?yàn)檩敵鲭娏鬟^(guò)大而損壞芯片。

圖1中虛線中的電路為過(guò)流保護(hù)和短路保護(hù)放在一起的框架圖。當(dāng)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，若沒有短路保護(hù)電路，系統(tǒng)則以大電流輸出，直至燒壞整個(gè)芯片。傳統(tǒng)保護(hù)電路如圖1所示，當(dāng)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(zhuǎn)化成采樣電壓Vsense，與基準(zhǔn)VREF2進(jìn)行比較，當(dāng)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(tǒng)的可靠性。因此，對(duì)過(guò)流和短路有針對(duì)性地分別設(shè)計(jì)保護(hù)電路，有利于提高產(chǎn)品的可靠性。

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