保護升壓負載及其電源

　　介于工程師對電源保護要求的重視，升壓轉換級可通過在本地負載上獲得的高壓來提供系統(tǒng)優(yōu)勢。

　　輸出短路故障、過載條件、其它故障條件、以及啟動時的高電容會嚴重增加輸入電源負擔，或者使輸入電源出現(xiàn)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度設計或負擔過重，特別是在需要升壓負載時更是如此。升壓轉換器是針對更高電壓負載的常見選擇，它的問題在于本身無法為下游電路提供系統(tǒng)保護。這是輸入到輸出的固有導通路徑造成的；這條路徑進一步增加了主電源的負擔，并且降低了系統(tǒng)可靠性，特別是在故障或過載條件下。

　　例如，在低壓電池供電系統(tǒng)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)常需要由一個寬輸入范圍DC/DC穩(wěn)壓器提供升壓電壓。

　　一個升壓電源具有某些系統(tǒng)優(yōu)勢。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)通過深入研究48V電池來分析昂貴、笨重電纜線路所帶來的問題。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行中找到了提高效率、增加輸出功率密度的方法。某些任務關鍵系統(tǒng)需要通過電容儲能來儲備電能，這就需要在更高的電壓下具有更少的電容值 （E=1/2*C*V2）。一個升壓維持電路可實現(xiàn)更小的解決方案尺寸。

　　如果沒有將升壓轉換器的本身限制考慮在內的話，就會降低系統(tǒng)可靠性，并增加系統(tǒng)成本，從而導致系統(tǒng)中其它部分的過度設計。一個升壓電路本身具有從輸入到輸出的導通路徑（圖1）。即使當轉換器關閉時，電流也可以通過升壓 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。

　　在沒有單獨的電流限流機制時，會導致主電源超出要求。在報警系統(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導致受限電源（比如說一塊電池）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斷電，并會產(chǎn)生意外的系統(tǒng)重啟。在沒有涌入限制或協(xié)同加電排序的情況下，電源總線會根據(jù)最大電源電流能力，來限制可允許的模塊數(shù)量。

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

　　保護方法

　　最簡單的限流系統(tǒng)配置是采用一個負溫度系數(shù) （NTC） 熱敏電阻（圖2）。借助冷卻時的高阻抗，初始時，NTC在啟動期間限制涌入電流。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。這個方法的優(yōu)勢在于其簡單性，以及提供低成本保護解決方案。

　　然而在惡劣環(huán)境中實施這一系統(tǒng)配置時，劣勢就會顯現(xiàn)出來。在諸如汽車引擎艙等溫度大幅變化的環(huán)境中，環(huán)境溫度會變得很高，這會降低NTC的初始阻抗，如果不精心管理整個環(huán)境工作條件的話，會產(chǎn)生過多的涌入電流。如果出現(xiàn)重新啟動的情況，NTC器件也許不會在下次加電之前冷卻。輸出電容也許完全放電，不過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。此外，如果出現(xiàn)負載短路故障，NTC將不再能夠限制比所選標稱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，不過它作為無源組件時功會受到限制。

　　圖3. 使用熱插拔的有源涌入電流限制

　　現(xiàn)在讓我們來看看MOSFET等有源限制器件：它需要一個類似于涌入限制控制器的控制電路，這個控制器也被稱為熱插拔控制器或電子熔絲。雖然這是一個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） 內的同時，用一個電流和電壓控制環(huán)路來控制涌入率。SOA通過監(jiān)視保持關鍵保護器件的長期可靠性。此外，涌入控制器可能具有兩個電流閥值：一個針對標準涌入限制，第二個針對嚴重的過流情況執(zhí)行斷路器功能。這個實現(xiàn)方式的顯著優(yōu)勢就是可以實現(xiàn)高級保護特性；然而，這個解決方案的成本和復雜程度通常會大于無源方法。

　　第三個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(xù)流二極管或同步MOSFET）不能反向，這個方法仍然需要一個額外的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IC中有助于減少解決方案復雜度和尺寸，同時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MOSFET

　　任何一個限制方法都需要縝密設計，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，請確保將器件的安全工作區(qū)考慮在內。設定電流只是其中一個需要考慮的參數(shù)。在選擇MOSFET時，峰值關斷電壓（漏/源電壓），以及MOSFET將處于極端條件組合之中的時間長度等因素都需要考慮在內。

　　根據(jù)系統(tǒng)設計要求的不同，用下方的方程式，通過計算這些情況下（涌入、輸出短路和突然電路斷開）保護器件上的峰值能量，來幫助選擇一個具有足夠能量的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與短路情況相類似，在MOSFET上真正的短路故障條件會更加嚴格。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間。

　　所選的保護控制器也許具有一個故障安全斷路器電流閥值，一觸發(fā)立即斷開輸入。針對斷路器的電能計算與短路情況相似，不過具有一個由保護控制器（如果有的話）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。

　　需牢記的一點是，用MOSFET來實現(xiàn)保護功能可實現(xiàn)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(zhí)行適當?shù)碾妷壕彌_，以確保用于保護功能的器件不會對下游電路產(chǎn)生負面影響。在使用升壓電路時，保護器件之后的第一個直插組件就是主電感器。一個續(xù)流二極管可以管理保護MOSFET與電感器之間的任何電壓振鈴。它只在保護開關快速關閉時才導電，特別是在斷路器位于電感器左側時更是如此（圖5）。

　　圖5. 輸入電壓瞬變抑制電路。

　　其它保護特性

　　重試定時器也許是你在選擇一款保護控制器時會考慮的另外一個特性，這一保護特性也被稱為斷續(xù)模式。如果設備經(jīng)歷了時斷時續(xù)的過流故障，在無需整個系統(tǒng)重新啟動的情況下，自動重試也許對系統(tǒng)更加有利。斷續(xù)模式使得保護控制器能夠打開MOSFET，并且在一段特定的時間內等待故障被解決，然后通過啟動涌入控制序列來重試。如果故障依然存在，一個控制器也許會無限次地重試，或者在一定數(shù)量的重試后鎖存。

　　將MOSFET用作保護器件的第二個優(yōu)點在于實現(xiàn)了一個原始的輸入過壓保護電路 （/）。通過在MOSFET的柵極上連接一個適當選擇的齊納二極管，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(qū)內運行為線性穩(wěn)壓器，不過有一點需要注意，那就是所允許的最大箝位時間受到MOSFET屬性的限制。

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