R課堂 | 升壓電源負(fù)載短路時(shí)的過(guò)電流引發(fā)的問(wèn)題

首先，我們來(lái)了解一下“升壓電源負(fù)載短路時(shí)的過(guò)電流引發(fā)的問(wèn)題”。關(guān)于升壓電源的輸出短路引發(fā)的問(wèn)題，作為示例我們?cè)谶@里探討“二極管整流方式的輸出短路”、“同步整流方式的輸出短路”、“背柵控制”、“低邊開(kāi)關(guān)的限流工作”。

1、二極管整流方式的輸出短路

對(duì)于降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器而言，當(dāng)發(fā)生輸出過(guò)負(fù)載或短路時(shí)，大多數(shù)電源IC的限流電路會(huì)啟動(dòng)，可以防止電源IC損壞。而大多數(shù)升壓型轉(zhuǎn)換器，在流過(guò)超過(guò)額定電流的負(fù)載電流時(shí)或輸出短路時(shí)都會(huì)發(fā)生問(wèn)題。當(dāng)負(fù)載電流超過(guò)額定電流時(shí)，輸出電壓將無(wú)法維持并且會(huì)開(kāi)始下降。此時(shí)，低邊開(kāi)關(guān)試圖通過(guò)使電流增加至低邊開(kāi)關(guān)的限流值來(lái)恢復(fù)下降的輸出電壓。但是，如果負(fù)載電流因限流功能而超出最大輸出電流，那么將會(huì)變?yōu)楹愣ㄝ斎牍β薁顟B(tài)，輸出電壓會(huì)逐漸下降。

而且，當(dāng)負(fù)載阻抗降低，輸出電壓V OUT 低于輸入電壓V IN 減去整流二極管V F 后的電壓時(shí)，就會(huì)形成從電源直接通過(guò)電感器和整流二極管的電流路徑。在這種狀態(tài)下，低邊開(kāi)關(guān)的限流功能會(huì)失效，并且會(huì)流過(guò)輸入輸出電壓差÷電阻（主要是電感的直流電阻DCR）得到的電流。當(dāng)負(fù)載阻抗進(jìn)一步下降，并達(dá)到短路狀態(tài)V OUT =0V時(shí)，短路電流I SHORT 為I SHORT =(V IN -V F )÷DCR，增加至數(shù)十安培，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)額定電流，這可能會(huì)導(dǎo)致電感器和整流二極管被燒損。

2、同步整流方式的輸出短路

在高邊開(kāi)關(guān)為使用FET的同步整流方式的情況下，當(dāng)檢測(cè)到過(guò)電流時(shí)，最好能關(guān)閉FET開(kāi)關(guān)以切斷電流。然而，即使關(guān)閉了FET，由于FET存在源極和漏極之間的PN結(jié)構(gòu)成的寄生二極管，因此即使FET處于關(guān)閉狀態(tài)，也會(huì)形成經(jīng)由電感器到FET的寄生二極管的電流路徑，無(wú)法阻止電流流過(guò)。所以，無(wú)法通過(guò)電源IC的控制來(lái)控制短路電流，高邊開(kāi)關(guān)FET也可能會(huì)受損。

咨詢或購(gòu)買(mǎi)產(chǎn)品

掃描二維碼填寫(xiě)相關(guān)信息

將由工作人員與您聯(lián)系

3、背柵控制

當(dāng)高邊開(kāi)關(guān)為外置FET時(shí)，由于是垂直結(jié)構(gòu)，因此一定會(huì)存在寄生二極管，從而無(wú)法防止寄生二極管形成的電流路徑。但是，如果是電源IC中內(nèi)置了FET開(kāi)關(guān)元件的產(chǎn)品，所使用的FET為橫向結(jié)構(gòu)，因此可以通過(guò)對(duì)FET的背柵部分施加偏壓來(lái)消除寄生二極管的影響。也有一些產(chǎn)品通過(guò)在該偏置電路中添加開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)背柵極控制，從而可以在必要時(shí)切斷寄生二極管的電流。在這種情況下，當(dāng)檢測(cè)到輸出短路時(shí)，將會(huì)使寄生二極管處于不導(dǎo)通狀態(tài)，從而可以防止燒損問(wèn)題。

同步整流會(huì)設(shè)有死區(qū)時(shí)間，在此期間低邊開(kāi)關(guān)和高邊開(kāi)關(guān)都會(huì)關(guān)斷，以防止低邊開(kāi)關(guān)和高邊開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通而發(fā)生輸出短路問(wèn)題。但當(dāng)兩個(gè)開(kāi)關(guān)都關(guān)斷時(shí)，電感輸出側(cè)會(huì)變?yōu)殚_(kāi)路狀態(tài)，由于反電動(dòng)勢(shì)的作用，會(huì)產(chǎn)生非常高的電壓。為了防止這種高電壓的產(chǎn)生，可以有效利用FET的寄生二極管，在死區(qū)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行二極管整流，對(duì)于該整流工作來(lái)說(shuō)，整流FET的寄生二極管是必需的。

因此，在正常工作時(shí)，需要背柵的開(kāi)/關(guān)控制，以使寄生二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。另外，如果在檢測(cè)到過(guò)電流狀態(tài)的時(shí)間點(diǎn)，F(xiàn)ET和背柵同時(shí)高速關(guān)斷，則電感器會(huì)在有電流流過(guò)的狀態(tài)下輸出變?yōu)殚_(kāi)路狀態(tài)。當(dāng)電感開(kāi)路時(shí)，由于反電動(dòng)勢(shì)的作用會(huì)產(chǎn)生高電壓，這種高電壓可能會(huì)超過(guò)低邊開(kāi)關(guān)的耐壓能力，導(dǎo)致低邊開(kāi)關(guān)因過(guò)電壓損壞。即使寄生二極管關(guān)斷，整流FET也需要進(jìn)行在線性區(qū)域工作來(lái)控制電流、消耗電感器的能量后關(guān)斷等控制。

4、低邊開(kāi)關(guān)的限流工作

當(dāng)由于輸出短路而流過(guò)過(guò)大電流時(shí)，輸出電壓會(huì)低于設(shè)定電壓，因此負(fù)反饋控制系統(tǒng)會(huì)嘗試通過(guò)打開(kāi)低邊開(kāi)關(guān)來(lái)增加能量，以提高輸出電壓。低邊開(kāi)關(guān)具有限流功能，也就是可以通過(guò)檢測(cè)流過(guò)開(kāi)關(guān)的電流、當(dāng)達(dá)到設(shè)定電流時(shí)關(guān)斷開(kāi)關(guān)來(lái)控制開(kāi)關(guān)電流。然而，由于低邊開(kāi)關(guān)未導(dǎo)通的狀態(tài)下沒(méi)有電流流過(guò)，因此無(wú)法檢測(cè)到輸出短路導(dǎo)致的明顯過(guò)電流狀態(tài)。但是，低邊開(kāi)關(guān)會(huì)通過(guò)下一個(gè)時(shí)鐘的開(kāi)通信號(hào)來(lái)開(kāi)通開(kāi)關(guān)。由于電感器已經(jīng)流過(guò)超過(guò)限流值的大電流，雖然在低邊開(kāi)關(guān)導(dǎo)通后會(huì)立即檢測(cè)到明顯的過(guò)電流情況，并會(huì)在最短時(shí)間內(nèi)關(guān)斷低邊開(kāi)關(guān)，但盡管時(shí)間很短，還是會(huì)流過(guò)脈沖狀的過(guò)大電流。

高達(dá)最大額定值數(shù)倍的脈沖狀大電流會(huì)以每秒的開(kāi)關(guān)頻率次數(shù)反復(fù)流過(guò)，大電流造成的損害累積最終會(huì)導(dǎo)致低邊開(kāi)關(guān)也會(huì)損壞。也就是說(shuō)，要想防止問(wèn)題擴(kuò)大，除了低邊開(kāi)關(guān)的限流功能外，還需要其他的保護(hù)功能。