開關電源|Boost電路加保護電路方案-KIA MOS管

Boost電路的基本原理

開關電源最常見的三種結構布局是降壓（buck）、升壓（boost）和降壓–升壓（buck-boost），這三種布局都不是相互隔離的。

今天介紹的主角是boost升壓電路，the boost converter（或者叫step-up converter），是一種常見的開關直流升壓電路，它可以使輸出電壓比輸入電壓高。

Boost電路是一種開關直流升壓電路，它能夠使輸出電壓高于輸入電壓。在電子電路設計當中算是一種較為常見的電路設計方式。

首先，你需要了解的基本知識：

電容阻礙電壓變化，通高頻，阻低頻，通交流，阻直流；

電感阻礙電流變化，通低頻，阻高頻，通直流，阻交流；

假定那個開關（三極管或者MOS管）已經斷開了很長時間，所有的元件都處于理想狀態，電容電壓等于輸入電壓。

下面要分充電和放電兩個部分來說明這個電路。

充電過程：

在充電過程中，開關閉合（三極管導通），等效電路如上圖，開關（三極管）處用導線代替。這時，輸入電壓流過電感。二極管防止電容對地放電。

由于輸入是直流電，所以電感上的電流以一定的比率線性增加，這個比率跟電感大小有關。隨著電感電流增加，電感里儲存了一些能量。

放電過程：

如上圖，這是當開關斷開（三極管截止）時的等效電路。當開關斷開（三極管截止）時，由于電感的電流保持特性，流經電感的電流不會馬上變為0，而是緩慢的由充電完畢時的值變為0。

而原來的電路已斷開，于是電感只能通過新電路放電，即電感開始給電容充電，電容兩端電壓升高，此時電壓已經高于輸入電壓了。升壓完畢。

說起來升壓過程就是一個電感的能量傳遞過程。充電時，電感吸收能量，放電時電感放出能量。如果電容量足夠大，那么在輸出端就可以在放電過程中保持一個持續的電流。

如果這個通斷的過程不斷重復，就可以在電容兩端得到高于輸入電壓的電壓。

給Boost電路加保護電路

Boost電路作為一種非隔離的升壓電路，其結構簡單，容易設計，成本低廉，被廣泛應用于各種不需要隔離的升壓場合，特別是有源PFC電路中應用最為廣泛。

較于BUCK或其他的隔離電路，BOOST電路的保護似乎更麻煩。

對于一般的保護電路而言，當輸入欠壓，過壓，輸出過流，短路，過壓，過溫度的時候，我們會要求電路會自動關閉輸出，或實現打嗝式的保護，以利于后面的負載或電路受到及時的保護，避免損壞；

但對于BOOST電路而言，因升壓電感，輸出整流二極管是串聯在輸入與輸出的回路中，即使是完全關閉MOSFET的驅動，輸出也會有一個比輸入電壓低電感直流壓降跟二極管正向導通壓降的電壓，這也就是說不能完全關閉輸出，沒有達到我們想要的保護效果。

下面有幾種解決方案，可以用來給BOOST電路保護。

① 可以在輸入端加MOS作關斷保護。這個是一種很好的方法，但MOSFET的控制比較復雜，而且需要高電壓大電流的MOSFET，這樣會增大系統的成本，而且會降低可靠性。

其結果是輸入端的電壓相對低些，而且加在輸入端更方便實現軟啟動，減小對MOS的沖擊。但是由于輸出端電流更小，加在輸出端MOS功耗更小一點。

② 對類似產品，日本有要求輸出端必須有保險裝置，通常是加可恢復保險絲。

可恢復的保險絲說白了就是PTC，不適合大功率場合，而且會產生大量的損耗，把保險裝置加在輸出端比加在輸入端損耗相對小些，而且這種方式成本更低，經濟實惠。

③ 可以用在母線上串接繼電器的方式，在關掉MOS的同時，同步切斷繼電器，使得主回路斷開就可以切斷電流回路，進一步保護二極管。繼電器是一個常見的保護方法，但也有壽命短，且在開關動作時容易打火等缺點。

④ 如果不考慮成本和復雜性的話，完美的保護電路一定可以做的出來！但實際上，輸出短路是個例，為這個“意外”花過多的成本非常不值得。

1、Vin端的Fuse必須要有，防止MOS擊穿造成安全隱患。

2、輸出短路時，受大電流沖擊的脆弱部件需要加強（圖中的Rsense )。

3、BOOST輸出電流通常遠小于輸入電流，更遠遠的小于短路時的大電流，因此使用PPTC（自恢復保險絲）是可行的。PPTC動作電流可取輸出電流的2~3倍，正常時，PPTC損耗非常小。

4、Boost使能腳EN電壓由輸出取，一但短路后，EN=0V（電壓降在PPTC上），IC立即停止工作，輸出電壓降低到約等于輸入電壓，可以減小短路保護后的功耗，同時也降低PPTC兩端的電壓，來降低PPTC的功耗。

5、當輸出短路排除后，由于PPTC的存在，EN重新得電,IC啟動，BOOST重新工作。

目前比較少人關注這一塊，即使是目前各大廠商推出的PFC電路，只要后級一短路，后果都可想而知。保護最安全的方法是切斷輸入，目前的開關器件有三極管，MOSFET，IGBT，繼電器，接觸器等，不同的開關器件有不同的優缺點。

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