【分析】如何通過升壓轉換階段保護電源與負載？-KIA MOS管

啟動時的輸出短路故障、過載、其他故障、以及高電容負載會嚴重損傷或降低輸入電源，破壞負載。負載本身對于電壓的要求也許會很嚴格，甚至需要高于主輸入電源的更高的電壓。這些條件和需求可能會導致輸入的電源被過度設計或負擔過重，尤其是在提升負載時。

與用于高電壓負載的升壓轉換器共同面臨的問題是，它會提供機制以保護下游電路。這是由于從輸入到輸出的固有通路徑加劇了主供應的壓力，降低了系統(tǒng)的可靠性，特別是在故障或過載的條件下。

在某些系統(tǒng)中，負載需要輸入電壓高于主電源所能提供的電壓。低壓電池供電類系統(tǒng)就是其中之一。具有固定總線電源（此電源可以提供在長電纜和通信系統(tǒng)上運用的高效功率放大器）的工業(yè)用系統(tǒng)往往會需要一個來自寬輸入電壓范圍DC/DC穩(wěn)壓器的升壓。

升壓電源具有某些系統(tǒng)優(yōu)勢。在具有大型線束的系統(tǒng)中，高壓可以降低傳送總功率所需要的線規(guī)。通過深入研究48V電池，汽車行業(yè)一直在分析昂貴且笨重的電纜連接所帶來的問題。

諸如RF發(fā)射器等具有高功率放大器的系統(tǒng)在使用由更高電源電壓供電運行的全新晶體管時效率更高，輸出功率密度更大。

某些關鍵系統(tǒng)需要通過電容能量儲存來保存電能，而這就需要在一個更高電壓上保持更少的電容值 （E = 1/2*C*V2）。升壓保持電路可以使解決方案的尺寸更小。

如果不考慮升壓轉換器的自然限制，系統(tǒng)可靠性會降低同時成本會增加，從而會導致系統(tǒng)其它部件的過度設計。升壓電路具有一個從輸入到輸出的自然導通路徑（圖1）。即使這個轉換器是關閉的，電流也可以通過升壓二極管或同步功率FET的體二極管流至輸出。

（a） 異步升壓

（b） 同步升壓

如果負載是重電容，由于升壓轉換器無法提供任何的負載隔離，主電源或電池必須能夠耐受住勵磁涌流的負擔。

如果沒有單獨的限流機制，主電源會被過度設計。在報警系統(tǒng)等需要后備電池的系統(tǒng)中，無限地汲取電流會影響電池的可靠性，因此系統(tǒng)也許會需要一個更大的電池。甚至預料之中的重負載條件也會使有限電源（比如說一個電池）的系統(tǒng)電壓軌上的電路斷電，并產生意外的系統(tǒng)重啟。

通過一個共用電源總線供電的模塊化系統(tǒng)也會在啟動時存在風險。在沒有勵磁涌流限制或與之配合的加電排序時，這個電源總線會根據最大電源電流的能力限制可允許模塊的數量。

諸如過載時出現(xiàn)的電機堵轉等，負載故障會汲取強電流。噴射器內使用的螺線管是另外一個經常會出現(xiàn)短路故障的負載。

帶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）在可拆卸組裝內節(jié)省空間和成本，不過也有可能會在熱插拔情況下從主電源汲取過多的電流。一個未受保護的升壓轉換器不具備緩解這些風險的條件；它只是將這些負擔經上游電路傳至電源。

設計人員經常通過主電源的過度設計和過度使用來解決這個問題，但是我們完全可以通過簡單的限制和保護技巧在升壓負載出現(xiàn)故障時也能夠節(jié)省系統(tǒng)成本、增加可靠性。

保護方法

圖2. 使用一個NTC熱敏電阻實現(xiàn)的無源勵磁涌流限制。

最簡單的限流機制是采用一個負溫度系數 （NTC） 熱敏電阻（圖2）。由于在冷卻時出現(xiàn)高阻抗，NTC在開始啟動時限制勵磁涌流。其自身功率耗散所導致的自發(fā)熱可使阻抗下降，從而能夠使更多的電流流過。

這個方法的優(yōu)勢在于簡便易行且成本低廉。然而，在惡劣條件下使用這個方法會帶來某些缺點。比如，在汽車發(fā)動機艙等溫度大幅變化的環(huán)境內，會出現(xiàn)使NTC初始阻抗降低的高環(huán)境溫度；此外，如果不仔細管理整個環(huán)境運行條件，就會導致過多的勵磁涌流。

如果出現(xiàn)重新啟動的情況，NTC器件溫度也許會在下一次加電之前尚未冷卻。在輸出電容完全放電時，由于散熱速度較慢，NTC對于勵磁涌流的限制會變到最低。此外，如果負載出現(xiàn)短路故障，NTC將無法限制比所選標稱運行條件高的電源電流。最后，NTC方法對于單一功能保護有效，但是由于使用的是無源組件，這個方法也會受到某些限制。

圖3. 使用熱插拔的有源勵磁涌流限制。

選擇像MOSFET這樣的主動限制裝置需要一個勵磁涌流限制控制器的控制電路，它也被稱為熱插拔控制器或電子熔絲。這是一個位于升壓控制器之前的附加集成電路 （IC），很多此類的控制器（圖3）特有包含電流和電壓環(huán)路的可編程涌入限制，旨在確保MOSFET保持在安全工組區(qū) （SOA） 內的同時，控制涌入率。

SOA用于監(jiān)視維持關鍵保護器件的長期可靠性。此外，涌入控制器會具有兩個電流閥值：一個用于規(guī)范涌入限制，第二個是在嚴重過流情況下用于完成斷路器功能。這種方式的一個明顯優(yōu)勢就是你能夠實現(xiàn)它的先進保護特性；然而，通常來說，這個解決方案的成本和復雜度要高于無源方法。

第三個保護選項是一個具有集成涌入限制控制的升壓控制器。這個方法仍然需要將一個附加的MOSFET用作保護器件，因為升壓的高端元件（一個續(xù)流二極管或同步MOSFET）無法反向。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中有助于降低解決方案復雜度和尺寸，同時也提供了很多其它保護特性。

圖4. 支持集成勵磁涌流限制的升壓控制器。

為最壞的情況選擇MOSFET

為確保實現(xiàn)穩(wěn)健耐用的解決方案，任何的限制方法都需要縝密的設計，對于功率耗散器件更是如此。當使用一個MOSFET時，一定要注意器件的安全工作區(qū)，設定電流是其中一個需要考慮的參數。在進行MOSFET選型時，需要考慮切斷電壓（漏/源電壓）的峰值，以及它將處于極端組合條件下的時間長度。

根據系統(tǒng)設計需要，通過計算保護器件在涌入、輸出短路和突然電路斷開情況下，在保護器件上出現(xiàn)的峰值能量，下面的方程式將有助于選擇一個具有足夠雪崩能量額定值的MOSFET。

針對涌入考慮的充電能量為：

在這里：

EINRUSH = 以焦耳 （J） 為單位的輸出電容器充電能量。

COUT = 以法拉 （F） 為單位的最大輸出電容值。

VINMAX = 以伏特 （V） 為單位的最大輸入電源電壓。

雖然在最差的情況下輸出電容器充電電流與出現(xiàn)短路時的情況相類似，MOSFET真正的短路故障情況的要求會更加嚴格。MOSFET能夠耐受的短路能量取決于：

在這里：

ESHORT = 以焦耳 （J） 為單位的短路保護能量。

IINRUSH（TH） = 以安培 （A） 為單位的勵磁涌流限制閥值。

tDELAY = 以秒 （s） 為單位的延遲時間。

所選保護控制器也許具有一個故障安全斷路器的電流閥，從而觸發(fā)瞬時輸入斷開。斷路器的能量計算與短路情況下相類似，不過，保護控制器會設定一個不同的電流閥值。MOSFET上有可能出現(xiàn)的最差情況能量由控制器的響應或延遲時間計算得出。

在這里：

ECIRCUIT_BREAKER = 以焦耳 （J） 為單位的斷路器保護能量

ICIRCUIT_BREAKER（TH） = 以安培 （A） 為單位的斷路器閥值電流

需牢記的一點是，雖然將MOSFET用于保護功能可實現(xiàn)對涌入或故障情況的快速響應，但是你應該在MOSFET的輸出端上執(zhí)行一個適當的電壓緩沖，以確保用于保護功能的器件不會使下游電路出現(xiàn)問題。

在升壓電路中，保護器件之后出現(xiàn)的第一個直插式組件是原邊電感器。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，它只有在保護開關迅速關閉時才會導電，特別是在斷路器位于電感器左側時（圖5）。

圖5. 輸入過壓瞬態(tài)抑制電路。

其它保護特性

在選擇一個保護控制器時，你也許還需要考慮另外一個特性，那就是重試定時器，也被稱為打嗝模式。如果設備經歷了一個間斷過流故障能夠自動重試，且無需整個系統(tǒng)重新啟動的話，這對于整個系統(tǒng)是有好處的。

該模式能使保護控制器打開MOSFET，并且在特定的時間長度內等待故障被消除，然后通過初始化涌入控制序列來重試。如果故障仍然存在，控制器也許會無限次的重試，或者在特定的重試次數后鎖存。

將一個MOSFET用作保護器件的第二個優(yōu)點就是可以實現(xiàn)簡單的輸入過壓保護電路 （/）。通過將一個合適的齊納二極管連接至MOSFET的柵極，F(xiàn)ET的柵源電壓受到二極管的鉗制后，會使得MOSFET在源極電壓增加時被拉回至歐姆運行方式。

這個二極管的擊穿電壓設定了有效的輸出電壓鉗位值。當MOSFET在歐姆區(qū)域內運行時會作為一個線性穩(wěn)壓器，不過有一點需要注意，那就是最大允許鉗制時間將受到MOSFET屬性的限制。

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