如何保護(hù)升壓負(fù)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(yán)重增加輸入電源負(fù)擔(dān)，或者使輸入電源出現(xiàn)故障，以及損壞負(fù)載。負(fù)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(dǎo)致輸入電源過(guò)度設(shè)計(jì)或負(fù)擔(dān)過(guò)重，特別是在需要升壓負(fù)載時(shí)更是如此。升壓轉(zhuǎn)換器是針對(duì)更高電壓負(fù)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(tǒng)保護(hù)。這是輸入到輸出的固有導(dǎo)通路徑造成的；這條路徑進(jìn)一步增加了主電源的負(fù)擔(dān)，并且降低了系統(tǒng)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(tǒng)中，負(fù)載所要求的電壓可以高于主電源所能提供的電壓。通過(guò)電纜提供固定總線電源的工業(yè)系統(tǒng)和具有高效功率放大器的通信系統(tǒng)經(jīng)常需要由一個(gè)寬輸入范圍DC/DC穩(wěn)壓器提供升壓電壓。

　　一個(gè)升壓電源具有某些系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)。在具有較大配線線束的系統(tǒng)中，高壓減少了傳送總電源所需的線規(guī)。汽車行業(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(tǒng)從全新晶體管的高電源電壓供電運(yùn)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(tǒng)需要通過(guò)電容儲(chǔ)能來(lái)儲(chǔ)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(xiàn)更小的解決方案尺寸。

　　如果沒(méi)有將升壓轉(zhuǎn)換器的本身限制考慮在內(nèi)的話，就會(huì)降低系統(tǒng)可靠性，并增加系統(tǒng)成本，從而導(dǎo)致系統(tǒng)中其它部分的過(guò)度設(shè)計(jì)。一個(gè)升壓電路本身具有從輸入到輸出的導(dǎo)通路徑（圖1）。即使當(dāng)轉(zhuǎn)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(fù)載，主電源或電池必須能夠耐受涌入電流造成的負(fù)擔(dān)，這是因?yàn)樯龎恨D(zhuǎn)換器不提供任何的負(fù)載隔離。

　　在沒(méi)有單獨(dú)的電流限流機(jī)制時(shí)，會(huì)導(dǎo)致主電源超出要求。在報(bào)警系統(tǒng)等需要備用電池的系統(tǒng)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(yù)料到的重負(fù)栽條件也會(huì)導(dǎo)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(tǒng)電壓軌上的電路臨時(shí)斷電，并會(huì)產(chǎn)生意外的系統(tǒng)重啟。在沒(méi)有涌入限制或協(xié)同加電排序的情況下，電源總線會(huì)根據(jù)最大電源電流能力，來(lái)限制可允許的模塊數(shù)量。

　　諸如過(guò)載時(shí)發(fā)生的電機(jī)堵轉(zhuǎn)等故障負(fù)載會(huì)汲取大電流。噴射器中使用的螺線管是另外一個(gè)會(huì)出現(xiàn)短路故障的負(fù)載示例。電機(jī)的可插拔模塊也許需要一個(gè)升壓電壓軌（由主系統(tǒng)提供）在可拆卸組裝中節(jié)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(hù)的升壓轉(zhuǎn)換器未配備減輕這些風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)備；它只是將負(fù)擔(dān)加到了電源上。設(shè)計(jì)人員經(jīng)常通過(guò)主電源的過(guò)度設(shè)計(jì)，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(hù)技術(shù)可以節(jié)省系統(tǒng)成本，并增加可靠性，即使在升壓負(fù)載已出現(xiàn)故障時(shí)也是如此。

　　保護(hù)方法

　　最簡(jiǎn)單的限流系統(tǒng)配置是采用一個(gè)負(fù)溫度系數(shù) （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(shì)在于其簡(jiǎn)單性，以及提供低成本保護(hù)解決方案。

　　然而在惡劣環(huán)境中實(shí)施這一系統(tǒng)配置時(shí)，劣勢(shì)就會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)。在諸如汽車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，會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的涌入電流。如果出現(xiàn)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(duì)于涌入電流的限制功能降到最低點(diǎn)。此外，如果出現(xiàn)負(fù)載短路故障，NTC將不再能夠限制比所選標(biāo)稱運(yùn)行條件下的電源電流更高的電流。最后，NTC 方法對(duì)于單一功能保護(hù)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(xiàn)在讓我們來(lái)看看MOSFET等有源限制器件：它需要一個(gè)類似于涌入限制控制器的控制電路，這個(gè)控制器也被稱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(qū) （SOA） 內(nèi)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(jiān)視保持關(guān)鍵保護(hù)器件的長(zhǎng)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(duì)標(biāo)準(zhǔn)涌入限制，第二個(gè)針對(duì)嚴(yán)重的過(guò)流情況執(zhí)行斷路器功能。這個(gè)實(shí)現(xiàn)方式的顯著優(yōu)勢(shì)就是可以實(shí)現(xiàn)高級(jí)保護(hù)特性；然而，這個(gè)解決方案的成本和復(fù)雜程度通常會(huì)大于無(wú)源方法。

　　第三個(gè)保護(hù)選項(xiàng)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(xù)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(hù)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(hù)控制集成在一個(gè)IC中有助于減少解決方案復(fù)雜度和尺寸，同時(shí)又提供了很多額外的保護(hù)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(shè)計(jì)，以確保方案的穩(wěn)健耐用，特別是要注意耗電器件。在使用MOSFET時(shí)，請(qǐng)確保將器件的安全工作區(qū)考慮在內(nèi)。設(shè)定電流只是其中一個(gè)需要考慮的參數(shù)。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(zhǎng)度等因素都需要考慮在內(nèi)。

　　根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的不同，用下方的方程式，通過(guò)計(jì)算這些情況下（涌入、輸出短路和突然電路斷開(kāi)）保護(hù)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(duì)涌入注意事項(xiàng)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)與短路情況相類似，在MOSFET上真正的短路故障條件會(huì)更加嚴(yán)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(hù)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(hù)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(duì)斷路器的電能計(jì)算與短路情況相似，不過(guò)具有一個(gè)由保護(hù)控制器（如果有的話）設(shè)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(yīng)或延遲時(shí)間計(jì)算得出。

　　在這里：

　　ECIRCUIT_BREAKER = 以J為單位的斷路器保護(hù)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(xiàn)保護(hù)功能可實(shí)現(xiàn)對(duì)于涌入或故障條件的快速響應(yīng)，并且應(yīng)該在MOSFET的輸出端上執(zhí)行適當(dāng)?shù)碾妷壕彌_，以確保用于保護(hù)功能的器件不會(huì)對(duì)下游電路產(chǎn)生負(fù)面影響。在使用升壓電路時(shí)，保護(hù)器件之后的第一個(gè)直插組件就是主電感器。一個(gè)續(xù)流二極管可以管理保護(hù)MOSFET與電感器之間的任何電壓振鈴。它只在保護(hù)開(kāi)關(guān)快速關(guān)閉時(shí)才導(dǎo)電，特別是在斷路器位于電感器左側(cè)時(shí)更是如此（圖5）。

　　圖5. 輸入電壓瞬變抑制電路。

　　其它保護(hù)特性

　　重試定時(shí)器也許是你在選擇一款保護(hù)控制器時(shí)會(huì)考慮的另外一個(gè)特性，這一保護(hù)特性也被稱為斷續(xù)模式。如果設(shè)備經(jīng)歷了時(shí)斷時(shí)續(xù)的過(guò)流故障，在無(wú)需整個(gè)系統(tǒng)重新啟動(dòng)的情況下，自動(dòng)重試也許對(duì)系統(tǒng)更加有利。斷續(xù)模式使得保護(hù)控制器能夠打開(kāi)MOSFET，并且在一段特定的時(shí)間內(nèi)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(shù)量的重試后鎖存。

　　將MOSFET用作保護(hù)器件的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)了一個(gè)原始的輸入過(guò)壓保護(hù)電路 （/）。通過(guò)在MOSFET的柵極上連接一個(gè)適當(dāng)選擇的齊納二極管，F(xiàn)ET的柵源電壓被二極管箝制，這使得MOFET隨著電源電壓的增加被拉回到電阻運(yùn)行。二極管的擊穿電壓設(shè)定了有效的輸出電壓鉗位值。MOSFET在電阻區(qū)內(nèi)運(yùn)行為線性穩(wěn)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。

　　參考文獻(xiàn)

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