異步Boost升壓電路的短路保護(hù)如何設(shè)計(jì)？

Boost電路應(yīng)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(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單成本也較低廉，廣泛應(yīng)用于手持終端設(shè)備、玩具、LED照明、DVB等。在異步Boost芯片廣泛應(yīng)用的同時(shí)，有個(gè)令人擔(dān)憂的隱患，輸出端短路后可能造成設(shè)備損壞或引發(fā)事故?；诖?，經(jīng)常有工程師咨詢異步Boost升壓電路如何做短路保護(hù)設(shè)計(jì)?關(guān)于升壓Boost短路保護(hù)問(wèn)題，大家可以踴躍去論壇發(fā)帖，歡迎廣大對(duì)此感興趣的工程師參與交流討論！

某品牌DVB應(yīng)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(zhǔn)電壓0.6V，輸入工作電壓范圍3V~25V，輸出最高電壓可達(dá)25V。你瞧，這問(wèn)題就來(lái)了：短路后BOOST芯片會(huì)保護(hù)嗎？而且一浪更比一浪強(qiáng)：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(dān)心馬上給你答復(fù)，上圖：

原理圖

圖為簡(jiǎn)化的應(yīng)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(shè)1，12V供電電源是理想電源，二極管D1恒壓降為1V，芯片內(nèi)部NMOS導(dǎo)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(jì)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(chǔ)能，電感電流快速線性上升，在10T后就能達(dá)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(shè)NMOS導(dǎo)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(xiàn)在我們回到VDS=id*Rdson。集中精力來(lái)一起分析：短路后，F(xiàn)B檢測(cè)到0V電壓，IC會(huì)以最大導(dǎo)通占空比的方式試圖達(dá)到18V。在電感電流上升到2A之前，IC內(nèi)部NMOS最大導(dǎo)通壓降VDS=2A*0.2Ω=0.4V較二極管D1的導(dǎo)通壓降低，IC內(nèi)部NMOS導(dǎo)通占空比90%，二極管導(dǎo)通占空比只有10%，因此IC承受的電流應(yīng)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(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)。眾所周知電感隨著電流的磁芯會(huì)飽和，此應(yīng)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，電感電流由線性轉(zhuǎn)變?yōu)橹笖?shù)增加，急速上升的電感電流就像泄堤的水流，IC內(nèi)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(cè)到過(guò)流信號(hào)，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(xì)節(jié)需要說(shuō)明下：a.電感的線徑滿足2A規(guī)格，飽和后不會(huì)率先燒斷銅絲。b.當(dāng)電感電流達(dá)到2A以上時(shí)，VDS>0.4V，NMOS導(dǎo)通時(shí)二極管也會(huì)導(dǎo)通起到分流作用，IC限流檢測(cè)雖然有延遲，但該延遲時(shí)間遠(yuǎn)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(yīng)力遠(yuǎn)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(yīng)電動(dòng)勢(shì)將IC高壓擊穿！

電路圖

假設(shè)2，12V電源供電能力不強(qiáng)，實(shí)際的電源都會(huì)有最大帶載能力和短路保護(hù)功能。當(dāng)輸出短路后，電感電流持續(xù)增加，當(dāng)增加到過(guò)載電流后，電源會(huì)進(jìn)入保護(hù)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。取決于電感的線徑、二極管耐電流沖擊能力，如果二極管燒斷和假設(shè)1的結(jié)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(yīng)，可以看出異步升壓電路在短路后是有風(fēng)險(xiǎn)的。那么我們?cè)撊绾巫霰Ｗo(hù)設(shè)計(jì)呢？

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

上圖的電路很明顯是不能作為短路保護(hù)來(lái)應(yīng)用的，這只是一個(gè)過(guò)流或限流保護(hù)電路。最終輸出端電流被限定在設(shè)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(hù)不能等同限流保護(hù)，所以我們必須重新思考。短路保護(hù)的基本要求：1.短路響應(yīng)速度要快，及時(shí)保護(hù)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(fù)。基于這三個(gè)要求，設(shè)計(jì)出的短路保護(hù)電路才是實(shí)用的。按短路保護(hù)的方式可分為三大類(lèi)：1.短路電流折回保護(hù)方式；2.打嗝保護(hù)(開(kāi)關(guān)波重復(fù)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(fù)的電路中，像BUCK芯片一般都有降頻打嗝模式的短路保護(hù)，這類(lèi)保護(hù)電路設(shè)計(jì)較復(fù)雜些，需要用運(yùn)放、比較器或555定時(shí)器等。下面我們來(lái)看下第三種保護(hù)模式——短路自鎖關(guān)斷輸出。

一種簡(jiǎn)單自鎖短路保護(hù)電路

自動(dòng)復(fù)位開(kāi)關(guān)可以用單片機(jī)的I/O口控制或機(jī)械輕觸開(kāi)關(guān)控制，上電后先給自動(dòng)復(fù)位開(kāi)關(guān)置高電平，Q102導(dǎo)通，Q101導(dǎo)通，AP2008升壓工作，輸出電壓建立18V，通過(guò)Z101、D101、R103維持Q102導(dǎo)通，此時(shí)把自動(dòng)復(fù)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(wěn)定的運(yùn)行，當(dāng)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(dāng)短路故障解除后，需要再次開(kāi)啟自動(dòng)復(fù)位開(kāi)關(guān)，等輸出電壓建立后再將自動(dòng)復(fù)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(hù)電路都是用純硬件實(shí)現(xiàn)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。