通过升压转换阶段保护电源和负载

在满足保护要求的前提下，升压转换阶段可以通过负载上的局部电压提供系统优势。

作者：德州仪器 (TI) Daniel Braunworth、Eric Lee

启动时的输出短路故障、过载、其他故障、以及高电容负载会严重损伤或降低输入电源，破坏负载。负载本身对于电压的要求也许会很严格，甚至需要高于主输入电源的更高的电压。这些条件和需求可能会导致输入的电源被过度设计或负担过重，尤其是在提升负载时。与用于高电压负载的升压转换器共同面临的问题是，它会提供机制以保护下游电路。这是由于从输入到输出的固有通路径加剧了主供应的压力，降低了系统的可靠性，特别是在故障或过载的条件下。

在某些系统中，负载需要输入电压高于主电源所能提供的电压。低压电池供电类系统就是其中之一。具有固定总线电源(此电源可以提供在长电缆和通信系统上运用的高效功率放大器)的工业用系统往往会需要一个来自宽输入电压范围DC/DC稳压器的升压。

升压电源具有某些系统优势。在具有大型线束的系统中，高压可以降低传送总功率所需要的线规。通过深入研究48V电池，汽车行业一直在分析昂贵且笨重的电缆连接所带来的问题。诸如RF发射器等具有高功率放大器的系统在使用由更高电源电压供电运行的全新晶体管时效率更高，输出功率密度更大。某些关键系统需要通过电容能量储存来保存电能，而这就需要在一个更高电压上保持更少的电容值 (E = 1/2*C*V2)。升压保持电路可以使解决方案的尺寸更小。

如果不考虑升压转换器的自然限制，系统可靠性会降低同时成本会增加，从而会导致系统其它部件的过度设计。升压电路具有一个从输入到输出的自然导通路径(图1)。即使这个转换器是关闭的，电流也可以通过升压二极管或同步功率FET的体二极管流至输出。

(a) 异步升压

(b) 同步升压

如果负载是重电容，由于升压转换器无法提供任何的负载隔离，主电源或电池必须能够耐受住励磁涌流的负担。

如果没有单独的限流机制，主电源会被过度设计。在报警系统等需要后备电池的系统中，无限地汲取电流会影响电池的可靠性，因此系统也许会需要一个更大的电池。甚至预料之中的重负载条件也会使有限电源(比如说一个电池)的系统电压轨上的电路断电，并产生意外的系统重启。通过一个共用电源总线供电的模块化系统也会在启动时存在风险。在没有励磁涌流限制或与之配合的加电排序时，这个电源总线会根据最大电源电流的能力限制可允许模块的数量。

诸如过载时出现的电机堵转等，负载故障会汲取强电流。喷射器内使用的螺线管是另外一个经常会出现短路故障的负载。带电机的可插拔模块也许需要一个升压电压轨(由主系统提供)在可拆卸组装内节省空间和成本，不过也有可能会在热插拔情况下从主电源汲取过多的电流。一个未受保护的升压转换器不具备缓解这些风险的条件;它只是将这些负担经上游电路传至电源。设计人员经常通过主电源的过度设计和过度使用来解决这个问题，但是我们完全可以通过简单的限制和保护技巧在升压负载出现故障时也能够节省系统成本、增加可靠性。

保护方法

图2. 使用一个NTC热敏电阻实现的无源励磁涌流限制。

最简单的限流机制是采用一个负温度系数 (NTC) 热敏电阻(图2)。由于在冷却时出现高阻抗，NTC在开始启动时限制励磁涌流。其自身功率耗散所导致的自发热可使阻抗下降，从而能够使更多的电流流过。这个方法的优势在于简便易行且成本低廉。然而，在恶劣条件下使用这个方法会带来某些缺点。比如，在汽车发动机舱等温度大幅变化的环境内，会出现使NTC初始阻抗降低的高环境温度;此外，如果不仔细管理整个环境运行条件，就会导致过多的励磁涌流。如果出现重新启动的情况，NTC器件温度也许会在下一次加电之前尚未冷却。在输出电容完全放电时，由于散热速度较慢，NTC对于励磁涌流的限制会变到最低。此外，如果负载出现短路故障，NTC将无法限制比所选标称运行条件高的电源电流。最后，NTC方法对于单一功能保护有效，但是由于使用的是无源组件，这个方法也会受到某些限制。

图3. 使用热插拔的有源励磁涌流限制。

选择像MOSFET这样的主动限制装置需要一个励磁涌流限制控制器的控制电路，它也被称为热插拔控制器或电子熔丝。这是一个位于升压控制器之前的附加集成电路 (IC)，很多此类的控制器(图3)特有包含电流和电压环路的可编程涌入限制，旨在确保MOSFET保持在安全工组区 (SOA) 内的同时，控制涌入率。SOA用于监视维持关键保护器件的长期可靠性。此外，涌入控制器会具有两个电流阀值：一个用于规范涌入限制，第二个是在严重过流情况下用于完成断路器功能。这种方式的一个明显优势就是你能够实现它的先进保护特性;然而，通常来说，这个解决方案的成本和复杂度要高于无源方法。

第三个保护选项是一个具有集成涌入限制控制的升压控制器。这个方法仍然需要将一个附加的MOSFET用作保护器件，因为升压的高端元件(一个续流二极管或同步MOSFET)无法反向。然而，如图4所示，与热插拔控制器方法相比，将升压和保护控制集成在一个IC中有助于降低解决方案复杂度和尺寸，同时也提供了很多其它保护特性。

图4. 支持集成励磁涌流限制的升压控制器。

为最坏的情况选择MOSFET

为确保实现稳健耐用的解决方案，任何的限制方法都需要缜密的设计，对于功率耗散器件更是如此。当使用一个MOSFET时，一定要注意器件的安全工作区，设定电流是其中一个需要考虑的参数。在进行MOSFET选型时，需要考虑切断电压(漏/源电压)的峰值，以及它将处于极端组合条件下的时间长度。

根据系统设计需要，通过计算保护器件在涌入、输出短路和突然电路断开情况下，在保护器件上出现的峰值能量，下面的方程式将有助于选择一个具有足够雪崩能量额定值的MOSFET。

针对涌入考虑的充电能量为：

在这里

EINRUSH = 以焦耳 (J) 为单位的输出电容器充电能量。

COUT = 以法拉 (F) 为单位的最大输出电容值。

VINMAX = 以伏特 (V) 为单位的最大输入电源电压。

虽然在最差的情况下输出电容器充电电流与出现短路时的情况相类似，MOSFET真正的短路故障情况的要求会更加严格。MOSFET能够耐受的短路能量取决于：

在这里：

ESHORT = 以焦耳 (J) 为单位的短路保护能量。

IINRUSH(TH) = 以安培 (A) 为单位的励磁涌流限制阀值。

tDELAY = 以秒 (s) 为单位的延迟时间。

所选保护控制器也许具有一个故障安全断路器的电流阀，从而触发瞬时输入断开。断路器的能量计算与短路情况下相类似，不过，保护控制器会设定一个不同的电流阀值。MOSFET上有可能出现的最差情况能量由控制器的响应或延迟时间计算得出。

在这里：

ECIRCUIT_BREAKER = 以焦耳 (J) 为单位的断路器保护能量

ICIRCUIT_BREAKER(TH) = 以安培 (A) 为单位的断路器阀值电流

需牢记的一点是，虽然将MOSFET用于保护功能可实现对涌入或故障情况的快速响应，但是你应该在MOSFET的输出端上执行一个适当的电压缓冲，以确保用于保护功能的器件不会使下游电路出现问题。在升压电路中，保护器件之后出现的第一个直插式组件是原边电感器。续流二极管可以管理保护MOSFET与电感器之间的任何电压振铃，它只有在保护开关迅速关闭时才会导电，特别是在断路器位于电感器左侧时(图5)。

图5. 输入过压瞬态抑制电路。

其它保护特性

在选择一个保护控制器时，你也许还需要考虑另外一个特性，那就是重试定时器，也被称为打嗝模式。如果设备经历了一个间断过流故障能够自动重试，且无需整个系统重新启动的话，这对于整个系统是有好处的。该模式能使保护控制器打开MOSFET，并且在特定的时间长度内等待故障被消除，然后通过初始化涌入控制序列来重试。如果故障仍然存在，控制器也许会无限次的重试，或者在特定的重试次数后锁存。

将一个MOSFET用作保护器件的第二个优点就是可以实现简单的输入过压保护电路 (/)。通过将一个合适的齐纳二极管连接至MOSFET的栅极，FET的栅源电压受到二极管的钳制后，会使得MOSFET在源极电压增加时被拉回至欧姆运行方式。这个二极管的击穿电压设定了有效的输出电压钳位值。当MOSFET在欧姆区域内运行时会作为一个线性稳压器，不过有一点需要注意，那就是最大允许钳制时间将受到MOSFET属性的限制。

参考文献

下载数据表：LM5121, LM5069

《使用宽VIN LM5121设计一个故障保护电路》 应用报告 (SNVA726)，德州仪器 (TI) 2015年1月

《LM5060具有低静态电流的高侧保护控制器》 (SNVS628)，德州仪器 (TI) 2013年4月

《CSD19536KCS 100 V N沟道NexFET™ 功率MOSFET》(SLPS485)，德州仪器 (TI) 2014年10月

《稳健耐用的热插拔设计》应用报告 (SLVA673)，德州仪器 (TI) 2014年11月

《用于高效功率放大器的GaN器件》T. Kikkawa等，富士通科学&技术期刊，第48卷，第一期，2012年1月

《升级12V的板上电网将为48V电网打下基础》Frost & Sullivan，2012年6月