【分析】如何通過升壓轉(zhuǎn)換階段保護(hù)電源與負(fù)載？-KIA MOS管

啟動(dòng)時(shí)的輸出短路故障、過載、其他故障、以及高電容負(fù)載會(huì)嚴(yán)重?fù)p傷或降低輸入電源，破壞負(fù)載。負(fù)載本身對(duì)于電壓的要求也許會(huì)很嚴(yán)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(huì)導(dǎo)致輸入的電源被過度設(shè)計(jì)或負(fù)擔(dān)過重，尤其是在提升負(fù)載時(shí)。

與用于高電壓負(fù)載的升壓轉(zhuǎn)換器共同面臨的問題是，它會(huì)提供機(jī)制以保護(hù)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(yīng)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(fù)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(zhǎng)電纜和通信系統(tǒng)上運(yùn)用的高效功率放大器）的工業(yè)用系統(tǒng)往往會(huì)需要一個(gè)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(shì)。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(yùn)行的全新晶體管時(shí)效率更高，輸出功率密度更大。

某些關(guān)鍵系統(tǒng)需要通過電容能量?jī)?chǔ)存來保存電能，而這就需要在一個(gè)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(zhuǎn)換器的自然限制，系統(tǒng)可靠性會(huì)降低同時(shí)成本會(huì)增加，從而會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)其它部件的過度設(shè)計(jì)。升壓電路具有一個(gè)從輸入到輸出的自然導(dǎo)通路徑（圖1）。即使這個(gè)轉(zhuǎn)換器是關(guān)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(fù)載是重電容，由于升壓轉(zhuǎn)換器無法提供任何的負(fù)載隔離，主電源或電池必須能夠耐受住勵(lì)磁涌流的負(fù)擔(dān)。

如果沒有單獨(dú)的限流機(jī)制，主電源會(huì)被過度設(shè)計(jì)。在報(bào)警系統(tǒng)等需要后備電池的系統(tǒng)中，無限地汲取電流會(huì)影響電池的可靠性，因此系統(tǒng)也許會(huì)需要一個(gè)更大的電池。甚至預(yù)料之中的重負(fù)載條件也會(huì)使有限電源（比如說一個(gè)電池）的系統(tǒng)電壓軌上的電路斷電，并產(chǎn)生意外的系統(tǒng)重啟。

通過一個(gè)共用電源總線供電的模塊化系統(tǒng)也會(huì)在啟動(dòng)時(shí)存在風(fēng)險(xiǎn)。在沒有勵(lì)磁涌流限制或與之配合的加電排序時(shí)，這個(gè)電源總線會(huì)根據(jù)最大電源電流的能力限制可允許模塊的數(shù)量。

諸如過載時(shí)出現(xiàn)的電機(jī)堵轉(zhuǎn)等，負(fù)載故障會(huì)汲取強(qiáng)電流。噴射器內(nèi)使用的螺線管是另外一個(gè)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)短路故障的負(fù)載。

帶電機(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）在可拆卸組裝內(nèi)節(jié)省空間和成本，不過也有可能會(huì)在熱插拔情況下從主電源汲取過多的電流。一個(gè)未受保護(hù)的升壓轉(zhuǎn)換器不具備緩解這些風(fēng)險(xiǎn)的條件；它只是將這些負(fù)擔(dān)經(jīng)上游電路傳至電源。

設(shè)計(jì)人員經(jīng)常通過主電源的過度設(shè)計(jì)和過度使用來解決這個(gè)問題，但是我們完全可以通過簡(jiǎn)單的限制和保護(hù)技巧在升壓負(fù)載出現(xiàn)故障時(shí)也能夠節(jié)省系統(tǒng)成本、增加可靠性。

保護(hù)方法

圖2. 使用一個(gè)NTC熱敏電阻實(shí)現(xiàn)的無源勵(lì)磁涌流限制。

最簡(jiǎn)單的限流機(jī)制是采用一個(gè)負(fù)溫度系數(shù) （NTC） 熱敏電阻（圖2）。由于在冷卻時(shí)出現(xiàn)高阻抗，NTC在開始啟動(dòng)時(shí)限制勵(lì)磁涌流。其自身功率耗散所導(dǎo)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(gè)方法的優(yōu)勢(shì)在于簡(jiǎn)便易行且成本低廉。然而，在惡劣條件下使用這個(gè)方法會(huì)帶來某些缺點(diǎn)。比如，在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙等溫度大幅變化的環(huán)境內(nèi)，會(huì)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(xì)管理整個(gè)環(huán)境運(yùn)行條件，就會(huì)導(dǎo)致過多的勵(lì)磁涌流。

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

圖3. 使用熱插拔的有源勵(lì)磁涌流限制。

選擇像MOSFET這樣的主動(dòng)限制裝置需要一個(gè)勵(lì)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(gè)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(nèi)的同時(shí)，控制涌入率。

SOA用于監(jiān)視維持關(guān)鍵保護(hù)器件的長(zhǎng)期可靠性。此外，涌入控制器會(huì)具有兩個(gè)電流閥值：一個(gè)用于規(guī)范涌入限制，第二個(gè)是在嚴(yán)重過流情況下用于完成斷路器功能。這種方式的一個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)就是你能夠?qū)崿F(xiàn)它的先進(jìn)保護(hù)特性；然而，通常來說，這個(gè)解決方案的成本和復(fù)雜度要高于無源方法。

第三個(gè)保護(hù)選項(xiàng)是一個(gè)具有集成涌入限制控制的升壓控制器。這個(gè)方法仍然需要將一個(gè)附加的MOSFET用作保護(hù)器件，因?yàn)樯龎旱母叨嗽ㄒ粋€(gè)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(hù)控制集成在一個(gè)IC中有助于降低解決方案復(fù)雜度和尺寸，同時(shí)也提供了很多其它保護(hù)特性。

圖4. 支持集成勵(lì)磁涌流限制的升壓控制器。

為最壞的情況選擇MOSFET

為確保實(shí)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(shè)計(jì)，對(duì)于功率耗散器件更是如此。當(dāng)使用一個(gè)MOSFET時(shí)，一定要注意器件的安全工作區(qū)，設(shè)定電流是其中一個(gè)需要考慮的參數(shù)。在進(jìn)行MOSFET選型時(shí)，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(shí)間長(zhǎng)度。

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要，通過計(jì)算保護(hù)器件在涌入、輸出短路和突然電路斷開情況下，在保護(hù)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(gè)具有足夠雪崩能量額定值的MOSFET。

針對(duì)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(shí)的情況相類似，MOSFET真正的短路故障情況的要求會(huì)更加嚴(yán)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(hù)能量。

IINRUSH（TH） = 以安培 （A） 為單位的勵(lì)磁涌流限制閥值。

tDELAY = 以秒 （s） 為單位的延遲時(shí)間。

所選保護(hù)控制器也許具有一個(gè)故障安全斷路器的電流閥，從而觸發(fā)瞬時(shí)輸入斷開。斷路器的能量計(jì)算與短路情況下相類似，不過，保護(hù)控制器會(huì)設(shè)定一個(gè)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(yīng)或延遲時(shí)間計(jì)算得出。

在這里：

ECIRCUIT_BREAKER = 以焦耳 （J） 為單位的斷路器保護(hù)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(diǎn)是，雖然將MOSFET用于保護(hù)功能可實(shí)現(xiàn)對(duì)涌入或故障情況的快速響應(yīng)，但是你應(yīng)該在MOSFET的輸出端上執(zhí)行一個(gè)適當(dāng)?shù)碾妷壕彌_，以確保用于保護(hù)功能的器件不會(huì)使下游電路出現(xiàn)問題。

在升壓電路中，保護(hù)器件之后出現(xiàn)的第一個(gè)直插式組件是原邊電感器。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，它只有在保護(hù)開關(guān)迅速關(guān)閉時(shí)才會(huì)導(dǎo)電，特別是在斷路器位于電感器左側(cè)時(shí)（圖5）。

圖5. 輸入過壓瞬態(tài)抑制電路。

其它保護(hù)特性

在選擇一個(gè)保護(hù)控制器時(shí)，你也許還需要考慮另外一個(gè)特性，那就是重試定時(shí)器，也被稱為打嗝模式。如果設(shè)備經(jīng)歷了一個(gè)間斷過流故障能夠自動(dòng)重試，且無需整個(gè)系統(tǒng)重新啟動(dòng)的話，這對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)是有好處的。

該模式能使保護(hù)控制器打開MOSFET，并且在特定的時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)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(huì)無限次的重試，或者在特定的重試次數(shù)后鎖存。

將一個(gè)MOSFET用作保護(hù)器件的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的輸入過壓保護(hù)電路 （/）。通過將一個(gè)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(huì)使得MOSFET在源極電壓增加時(shí)被拉回至歐姆運(yùn)行方式。

這個(gè)二極管的擊穿電壓設(shè)定了有效的輸出電壓鉗位值。當(dāng)MOSFET在歐姆區(qū)域內(nèi)運(yùn)行時(shí)會(huì)作為一個(gè)線性穩(wěn)壓器，不過有一點(diǎn)需要注意，那就是最大允許鉗制時(shí)間將受到MOSFET屬性的限制。

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