保护升压负载及其电源

　　介于工程师对电源保护要求的重视，升压转换级可通过在本地负载上获得的高压来提供系统优势。

　　输出短路故障、过载条件、其它故障条件、以及启动时的高电容会严重增加输入电源负担，或者使输入电源出现故障，以及损坏负载。负载本身的要求十分苛刻，甚至需要比主输入电源提供的电压还要高的电压。这些条件和要求导致输入电源过度设计或负担过重，特别是在需要升压负载时更是如此。升压转换器是针对更高电压负载的常见选择，它的问题在于本身无法为下游电路提供系统保护。这是输入到输出的固有导通路径造成的；这条路径进一步增加了主电源的负担，并且降低了系统可靠性，特别是在故障或过载条件下。

　　例如，在低压电池供电系统中，负载所要求的电压可以高于主电源所能提供的电压。通过电缆提供固定总线电源的工业系统和具有高效功率放大器的通信系统经常需要由一个宽输入范围DC/DC稳压器提供升压电压。

　　一个升压电源具有某些系统优势。在具有较大配线线束的系统中，高压减少了传送总电源所需的线规。汽车行业已经通过深入研究48V电池来分析昂贵、笨重电缆线路所带来的问题。RF发射器等具有高功率放大器的系统从全新晶体管的高电源电压供电运行中找到了提高效率、增加输出功率密度的方法。某些任务关键系统需要通过电容储能来储备电能，这就需要在更高的电压下具有更少的电容值 （E=1/2*C*V2）。一个升压维持电路可实现更小的解决方案尺寸。

　　如果没有将升压转换器的本身限制考虑在内的话，就会降低系统可靠性，并增加系统成本，从而导致系统中其它部分的过度设计。一个升压电路本身具有从输入到输出的导通路径（图1）。即使当转换器关闭时，电流也可以通过升压 二极管或同步功率FET体二极管流到输出端。

　　（a） 非同步升压
 

　　（b） 同步升压

　　如果是重电容负载，主电源或电池必须能够耐受涌入电流造成的负担，这是因为升压转换器不提供任何的负载隔离。

　　在没有单独的电流限流机制时，会导致主电源超出要求。在报警系统等需要备用电池的系统中，未受控制的电流消耗会影响电池可靠性，或者需要更大容量的电池。甚至是已经预料到的重负栽条件也会导致受限电源（比如说一块电池）供电能力下降；下降的程度足以使其它系统电压轨上的电路临时断电，并会产生意外的系统重启。在没有涌入限制或协同加电排序的情况下，电源总线会根据最大电源电流能力，来限制可允许的模块数量。

　　诸如过载时发生的电机堵转等故障负载会汲取大电流。喷射器中使用的螺线管是另外一个会出现短路故障的负载示例。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）在可拆卸组装中节省空间和成本，但也会在热插拔期间从主电源汲取过多的电流。未受保护的升压转换器未配备减轻这些风险的设备；它只是将负担加到了电源上。设计人员经常通过主电源的过度设计，或者过度使用来解决这个问题，不过某些简单的限制和保护技术可以节省系统成本，并增加可靠性，即使在升压负载已出现故障时也是如此。

　　保护方法

　　最简单的限流系统配置是采用一个负温度系数 （NTC） 热敏电阻（图2）。借助冷却时的高阻抗，初始时，NTC在启动期间限制涌入电流。随着自身功率耗散产生的自发热不断增加，阻抗减少，从而使更多的电流流过。这个方法的优势在于其简单性，以及提供低成本保护解决方案。

　　然而在恶劣环境中实施这一系统配置时，劣势就会显现出来。在诸如汽车引擎舱等温度大幅变化的环境中，环境温度会变得很高，这会降低NTC的初始阻抗，如果不精心管理整个环境工作条件的话，会产生过多的涌入电流。如果出现重新启动的情况，NTC器件也许不会在下次加电之前冷却。输出电容也许完全放电，不过由于较慢的散热速度，NTC对于涌入电流的限制功能降到最低点。此外，如果出现负载短路故障，NTC将不再能够限制比所选标称运行条件下的电源电流更高的电流。最后，NTC 方法对于单一功能保护是有效的，不过它作为无源组件时功会受到限制。

　　图3. 使用热插拔的有源涌入电流限制

　　现在让我们来看看MOSFET等有源限制器件：它需要一个类似于涌入限制控制器的控制电路，这个控制器也被称为热插拔控制器或电子熔丝。虽然这是一个位于控制器之前的额外集成电路 （IC），很多诸如此类的控制器（图3）特有可编程涌入限制功能，在确保MOSFET保持在安全工作区 （SOA） 内的同时，用一个电流和电压控制环路来控制涌入率。SOA通过监视保持关键保护器件的长期可靠性。此外，涌入控制器可能具有两个电流阀值：一个针对标准涌入限制，第二个针对严重的过流情况执行断路器功能。这个实现方式的显著优势就是可以实现高级保护特性；然而，这个解决方案的成本和复杂程度通常会大于无源方法。

　　第三个保护选项是具有集成涌入限制的升压控制器。由于升压的高端元件（续流二极管或同步MOSFET）不能反向，这个方法仍然需要一个额外的MOSFET作为保护器件。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中有助于减少解决方案复杂度和尺寸，同时又提供了很多额外的保护特性。

　　图4. 支持集成涌入电流限制的升压控制器。

　　为最差情况选择一个MOSFET

　　任何一个限制方法都需要缜密设计，以确保方案的稳健耐用，特别是要注意耗电器件。在使用MOSFET时，请确保将器件的安全工作区考虑在内。设定电流只是其中一个需要考虑的参数。在选择MOSFET时，峰值关断电压（漏/源电压），以及MOSFET将处于极端条件组合之中的时间长度等因素都需要考虑在内。

　　根据系统设计要求的不同，用下方的方程式，通过计算这些情况下（涌入、输出短路和突然电路断开）保护器件上的峰值能量，来帮助选择一个具有足够能量的MOSFET。

　　针对涌入注意事项的充电电能为：

 

　　在这里：

　　EINRUSH = 以J为单位的输出电容器充电电能。

　　COUT = 以F为单位的最大输出电容值。

　　VINMAX = 以V为单位的最大输入电源电压。

　　虽然输出电容器充电电流的最差情况在最初看起来与短路情况相类似，在MOSFET上真正的短路故障条件会更加严格。MOSFET必须能够耐受的短路能量取决于：

　　在这里：

　　ESHORT = 以J为单位的短路保护能量。

　　IINRUSH（TH） = 以A为单位的涌入电流限制阀值。

　　tDELAY = 以秒为单位的延迟时间。

　　所选的保护控制器也许具有一个故障安全断路器电流阀值，一触发立即断开输入。针对断路器的电能计算与短路情况相似，不过具有一个由保护控制器（如果有的话）设定的不同电流阀值。MOSFET最差情况可耐受电能由控制器的响应或延迟时间计算得出。

　　在这里：

　　ECIRCUIT_BREAKER = 以J为单位的断路器保护能量。

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

　　需牢记的一点是，用MOSFET来实现保护功能可实现对于涌入或故障条件的快速响应，并且应该在MOSFET的输出端上执行适当的电压缓冲，以确保用于保护功能的器件不会对下游电路产生负面影响。在使用升压电路时，保护器件之后的第一个直插组件就是主电感器。一个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。它只在保护开关快速关闭时才导电，特别是在断路器位于电感器左侧时更是如此（图5）。

　　图5. 输入电压瞬变抑制电路。

　　其它保护特性

　　重试定时器也许是你在选择一款保护控制器时会考虑的另外一个特性，这一保护特性也被称为断续模式。如果设备经历了时断时续的过流故障，在无需整个系统重新启动的情况下，自动重试也许对系统更加有利。断续模式使得保护控制器能够打开MOSFET，并且在一段特定的时间内等待故障被解决，然后通过启动涌入控制序列来重试。如果故障依然存在，一个控制器也许会无限次地重试，或者在一定数量的重试后锁存。

　　将MOSFET用作保护器件的第二个优点在于实现了一个原始的输入过压保护电路 （/）。通过在MOSFET的栅极上连接一个适当选择的齐纳二极管，FET的栅源电压被二极管箝制，这使得MOFET随着电源电压的增加被拉回到电阻运行。二极管的击穿电压设定了有效的输出电压钳位值。MOSFET在电阻区内运行为线性稳压器，不过有一点需要注意，那就是所允许的最大箝位时间受到MOSFET属性的限制。

　　参考文献

　　1. 下载数据表：LM5121， LM5069

　　2. 用宽VIN LM5121设计故障保护电路，应用报告 （SNVA726），德州仪器 （TI），2015年1月

　　3. 具有低静态电流的LM5060高侧保护电路 （SNVS628），德州仪器 （TI），2013年4月

　　4. CSD19536KCS 100V N沟道NEXTFETTM 功率MOSFET （SLPS485），德州仪器 （TI），2014年10月

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

　　6. 用于高效功率放大器的GaN器件，T. Kikkawa等，富士通科学与技术期刊，第48卷，第1期，2012年1月

　　7. 升级板上12V电源将为48V电力供应铺路，Frost&Sullivan，2012年6月

　　相关文章

　　1. 将电源完整性理解为系统范围内的挑战

　　2. 电源完整性：测量、优化电子系统中电源相关参数，并排除相关故障

　　3. 电源系统性能需要合适的有源和无源组件

　　4. 当波特图无法为我们提供正确信息时

　　5. 控制系统的稳定性标准

　　6. 隔离式DC-DC转换器内功率密度的拓扑关键
　　作者：德州仪器 （TI）， Daniel Braunworth， Eric Lee