R課堂 | 升壓電源負載短路時的過電流引發的問題

首先，我們來了解一下“升壓電源負載短路時的過電流引發的問題”。關于升壓電源的輸出短路引發的問題，作為示例我們在這里探討“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”、“低邊開關的限流工作”。

1、二極管整流方式的輸出短路

對于降壓型DC-DC轉換器而言，當發生輸出過負載或短路時，大多數電源IC的限流電路會啟動，可以防止電源IC損壞。而大多數升壓型轉換器，在流過超過額定電流的負載電流時或輸出短路時都會發生問題。當負載電流超過額定電流時，輸出電壓將無法維持并且會開始下降。此時，低邊開關試圖通過使電流增加至低邊開關的限流值來恢復下降的輸出電壓。但是，如果負載電流因限流功能而超出最大輸出電流，那么將會變為恒定輸入功率狀態，輸出電壓會逐漸下降。

而且，當負載阻抗降低，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，就會形成從電源直接通過電感器和整流二極管的電流路徑。在這種狀態下，低邊開關的限流功能會失效，并且會流過輸入輸出電壓差÷電阻（主要是電感的直流電阻DCR）得到的電流。當負載阻抗進一步下降，并達到短路狀態V OUT =0V時，短路電流I SHORT 為I SHORT =(V IN -V F )÷DCR，增加至數十安培，遠遠超過額定電流，這可能會導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

在高邊開關為使用FET的同步整流方式的情況下，當檢測到過電流時，最好能關閉FET開關以切斷電流。然而，即使關閉了FET，由于FET存在源極和漏極之間的PN結構成的寄生二極管，因此即使FET處于關閉狀態，也會形成經由電感器到FET的寄生二極管的電流路徑，無法阻止電流流過。所以，無法通過電源IC的控制來控制短路電流，高邊開關FET也可能會受損。

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3、背柵控制

當高邊開關為外置FET時，由于是垂直結構，因此一定會存在寄生二極管，從而無法防止寄生二極管形成的電流路徑。但是，如果是電源IC中內置了FET開關元件的產品，所使用的FET為橫向結構，因此可以通過對FET的背柵部分施加偏壓來消除寄生二極管的影響。也有一些產品通過在該偏置電路中添加開關來實現背柵極控制，從而可以在必要時切斷寄生二極管的電流。在這種情況下，當檢測到輸出短路時，將會使寄生二極管處于不導通狀態，從而可以防止燒損問題。

同步整流會設有死區時間，在此期間低邊開關和高邊開關都會關斷，以防止低邊開關和高邊開關同時導通而發生輸出短路問題。但當兩個開關都關斷時，電感輸出側會變為開路狀態，由于反電動勢的作用，會產生非常高的電壓。為了防止這種高電壓的產生，可以有效利用FET的寄生二極管，在死區時間內進行二極管整流，對于該整流工作來說，整流FET的寄生二極管是必需的。

因此，在正常工作時，需要背柵的開/關控制，以使寄生二極管處于導通狀態。另外，如果在檢測到過電流狀態的時間點，FET和背柵同時高速關斷，則電感器會在有電流流過的狀態下輸出變為開路狀態。當電感開路時，由于反電動勢的作用會產生高電壓，這種高電壓可能會超過低邊開關的耐壓能力，導致低邊開關因過電壓損壞。即使寄生二極管關斷，整流FET也需要進行在線性區域工作來控制電流、消耗電感器的能量后關斷等控制。

4、低邊開關的限流工作

當由于輸出短路而流過過大電流時，輸出電壓會低于設定電壓，因此負反饋控制系統會嘗試通過打開低邊開關來增加能量，以提高輸出電壓。低邊開關具有限流功能，也就是可以通過檢測流過開關的電流、當達到設定電流時關斷開關來控制開關電流。然而，由于低邊開關未導通的狀態下沒有電流流過，因此無法檢測到輸出短路導致的明顯過電流狀態。但是，低邊開關會通過下一個時鐘的開通信號來開通開關。由于電感器已經流過超過限流值的大電流，雖然在低邊開關導通后會立即檢測到明顯的過電流情況，并會在最短時間內關斷低邊開關，但盡管時間很短，還是會流過脈沖狀的過大電流。

高達最大額定值數倍的脈沖狀大電流會以每秒的開關頻率次數反復流過，大電流造成的損害累積最終會導致低邊開關也會損壞。也就是說，要想防止問題擴大，除了低邊開關的限流功能外，還需要其他的保護功能。