异步Boost升压电路的短路保护如何设计?
Boost电路应用于低电压升高电压的场合,目前DC-DC主流的Boost电路都是异步升压,同步Boost升压芯片较少。异步Boost芯片电路设计相对简单成本也较低廉,广泛应用于手持终端设备、玩具、LED照明、DVB等。在异步Boost芯片广泛应用的同时,有个令人担忧的隐患,输出端短路后可能造成设备损坏或引发事故。基于此,经常有工程师咨询异步Boost升压电路如何做短路保护设计?关于升压Boost短路保护问题,大家可以踊跃去论坛发帖,欢迎广大对此感兴趣的工程师参与交流讨论!
本文引用地址://m.amcfsurvey.com/article/201612/327494.htm某品牌DVB应用BOOST升压芯片12V to 13V/18V,工作电流最大不超过500mA。用的芯片是AP2008,这是一款异步PWM控制升压芯片,开关频率1MHz,开关管限流值2A,开关管RDSON典型值200mΩ,基准电压0.6V,输入工作电压范围3V~25V,输出最高电压可达25V。你瞧,这问题就来了:短路后BOOST芯片会保护吗?而且一浪更比一浪强:短路会损坏电路板上其它任何元件吗?像这样的问题同样困扰到你了吗?别担心马上给你答复,上图:
原理图
图为简化的应用电路,为了分析方便,只讨论12v-18v的部分电路,典型的异步BOOST升压电路。
在回答问题之前,我们先得弄清楚输出端短路后会发生什么?假设1,12V供电电源是理想电源,二极管D1恒压降为1V,芯片内部NMOS导通压降为1V,L1为纯电感,短路时刻初始电流为IL0。
短路后电感电流的瞬态方程
其中vin=12V,L1=10μm,IL0为短路时刻前初始电流,短路后电感两端压降始终为Vin-1V。AP2008开关频率f=1MHZ,则开关周期T=1μS,一个开关周期时间,电感电流IL(1L)=1.1A+1L0,依次计算1L(2T)=2.2A+1L0,1L(3T)=3.3A+1L0,···,1L(10T)=11A+1L0短路后1T-10T这段时间,电感始终都在储能,电感电流快速线性上升,在10T后就能达到至少11A的电流。短短10μS电流上升到11A,很难想象电感、二极管、IC谁先悲剧吧?假设NMOS导通压降1V是方便列写电感电流的暂态方程,为了分析真是的短路过程,现在我们回到VDS=id*Rdson。集中精力来一起分析:短路后,FB检测到0V电压,IC会以最大导通占空比的方式试图达到18V。在电感电流上升到2A之前,IC内部NMOS最大导通压降VDS=2A*0.2Ω=0.4V较二极管D1的导通压降低,IC内部NMOS导通占空比90%,二极管导通占空比只有10%,因此IC承受的电流应力比二极管D1要大。经过约2T的时间电感电流上升到2A,电感饱和,芯片限流也开始起作用,转折点出现。众所周知电感随着电流的磁芯会饱和,此应用电路电感饱和和电流选型2A是非常合理的,约2T后电感电流上升到至少2.2A,电感磁芯趋于饱和,电感电流由线性转变为指数增加,急速上升的电感电流就像泄堤的水流,IC内部限流动作跟不上,泄堤的电感电流会贯穿NMOS,IC限流在延迟一段时间后才会检测到过流信号,从而关断NMOS,NMOS关断后电感电流完全流过二极管D1。这里有个前提和细节需要说明下:a.电感的线径满足2A规格,饱和后不会率先烧断铜丝。b.当电感电流达到2A以上时,VDS>0.4V,NMOS导通时二极管也会导通起到分流作用,IC限流检测虽然有延迟,但该延迟时间远小于T*10%,NMOS关断后不会有电流流过,而二极管是一直流过电感电流的。2T后电感电流急剧增加,二极管承受电流应力远大于IC,因此二极管会先损坏。二极管损坏烧断,电感产生反向感应电动势将IC高压击穿!
电路图
假设2,12V电源供电能力不强,实际的电源都会有最大带载能力和短路保护功能。当输出短路后,电感电流持续增加,当增加到过载电流后,电源会进入保护模式。过载或短路的电流依然较大,至于电感、二极管、IC会不会坏。取决于电感的线径、二极管耐电流冲击能力,如果二极管烧断和假设1的结论一样,如果是电感烧断,IC和二极管都不会坏。
分析了短路后发生的一系列连锁反应,可以看出异步升压电路在短路后是有风险的。那么我们该如何做保护设计呢?
下面我们先来看一个保护电路,大家可以看看该电路能否起到短路保护的作用?
上图的电路很明显是不能作为短路保护来应用的,这只是一个过流或限流保护电路。最终输出端电流被限定在设定值,而MOS管会承受几乎全部的压降,极大的功耗Imax*Vdd,易将MOS烧坏。
从这个例子可以看出,短路保护不能等同限流保护,所以我们必须重新思考。短路保护的基本要求:1.短路响应速度要快,及时保护器件不被烧毁。2.短路后的功耗要很低或完全关断输出。3.短路故障解除后要能恢复。基于这三个要求,设计出的短路保护电路才是实用的。按短路保护的方式可分为三大类:1.短路电流折回保护方式;2.打嗝保护(开关波重复开启);3.短路自锁关断输出。前两种方式的短路功耗较大,常用于要求短路解除后能自恢复的电路中,像BUCK芯片一般都有降频打嗝模式的短路保护,这类保护电路设计较复杂些,需要用运放、比较器或555定时器等。下面我们来看下第三种保护模式——短路自锁关断输出。
一种简单自锁短路保护电路
自动复位开关可以用单片机的I/O口控制或机械轻触开关控制,上电后先给自动复位开关置高电平,Q102导通,Q101导通,AP2008升压工作,输出电压建立18V,通过Z101、D101、R103维持Q102导通,此时把自动复位开关置低电平。这样一个自成反馈的升压电路可以稳定的运行,当短路发生后,输出电压为0V,Q102关断,Q101关断,输出电压为0,短路电流为0,形成自锁状态。当短路故障解除后,需要再次开启自动复位开关,等输出电压建立后再将自动复位开关关断。
总的来说,电路没有必要太花哨,保护电路都是用纯硬件实现的,在短路故障发生后,其中一个开关会被立即关断锁死;短路故障解除也很简单,输入端重新上电即可。
评论