R课堂 | 升压电源负载短路时的过电流引发的问题

对于降压型DC-DC转换器而言，当发生输出过负载或短路时，大多数电源IC的限流电路会启动，可以防止电源IC损坏。而大多数升压型转换器，在流过超过额定电流的负载电流时或输出短路时都会发生问题。当负载电流超过额定电流时，输出电压将无法维持并且会开始下降。此时，低边开关试图通过使电流增加至低边开关的限流值来恢复下降的输出电压。但是，如果负载电流因限流功能而超出最大输出电流，那么将会变为恒定输入功率状态，输出电压会逐渐下降。

而且，当负载阻抗降低，输出电压V _OUT 低于输入电压V _IN 减去整流二极管V _F 后的电压时，就会形成从电源直接通过电感器和整流二极管的电流路径。在这种状态下，低边开关的限流功能会失效，并且会流过输入输出电压差÷电阻（主要是电感的直流电阻DCR）得到的电流。当负载阻抗进一步下降，并达到短路状态V _OUT =0V时，短路电流I _SHORT 为I _SHORT =(V _IN -V _F )÷DCR，增加至数十安培，远远超过额定电流，这可能会导致电感器和整流二极管被烧损。

在高边开关为使用FET的同步整流方式的情况下，当检测到过电流时，最好能关闭FET开关以切断电流。然而，即使关闭了FET，由于FET存在源极和漏极之间的PN结构成的寄生二极管，因此即使FET处于关闭状态，也会形成经由电感器到FET的寄生二极管的电流路径，无法阻止电流流过。所以，无法通过电源IC的控制来控制短路电流，高边开关FET也可能会受损。

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当高边开关为外置FET时，由于是垂直结构，因此一定会存在寄生二极管，从而无法防止寄生二极管形成的电流路径。但是，如果是电源IC中内置了FET开关元件的产品，所使用的FET为横向结构，因此可以通过对FET的背栅部分施加偏压来消除寄生二极管的影响。也有一些产品通过在该偏置电路中添加开关来实现背栅极控制，从而可以在必要时切断寄生二极管的电流。在这种情况下，当检测到输出短路时，将会使寄生二极管处于不导通状态，从而可以防止烧损问题。

同步整流会设有死区时间，在此期间低边开关和高边开关都会关断，以防止低边开关和高边开关同时导通而发生输出短路问题。但当两个开关都关断时，电感输出侧会变为开路状态，由于反电动势的作用，会产生非常高的电压。为了防止这种高电压的产生，可以有效利用FET的寄生二极管，在死区时间内进行二极管整流，对于该整流工作来说，整流FET的寄生二极管是必需的。

因此，在正常工作时，需要背栅的开/关控制，以使寄生二极管处于导通状态。另外，如果在检测到过电流状态的时间点，FET和背栅同时高速关断，则电感器会在有电流流过的状态下输出变为开路状态。当电感开路时，由于反电动势的作用会产生高电压，这种高电压可能会超过低边开关的耐压能力，导致低边开关因过电压损坏。即使寄生二极管关断，整流FET也需要进行在线性区域工作来控制电流、消耗电感器的能量后关断等控制。

当由于输出短路而流过过大电流时，输出电压会低于设定电压，因此负反馈控制系统会尝试通过打开低边开关来增加能量，以提高输出电压。低边开关具有限流功能，也就是可以通过检测流过开关的电流、当达到设定电流时关断开关来控制开关电流。然而，由于低边开关未导通的状态下没有电流流过，因此无法检测到输出短路导致的明显过电流状态。但是，低边开关会通过下一个时钟的开通信号来开通开关。由于电感器已经流过超过限流值的大电流，虽然在低边开关导通后会立即检测到明显的过电流情况，并会在最短时间内关断低边开关，但尽管时间很短，还是会流过脉冲状的过大电流。

高达最大额定值数倍的脉冲状大电流会以每秒的开关频率次数反复流过，大电流造成的损害累积最终会导致低边开关也会损坏。也就是说，要想防止问题扩大，除了低边开关的限流功能外，还需要其他的保护功能。

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