升压转换器短路怎么办?4种短路保护方法快速搞定
0 2023-12-06


一、升压转换器简介



升压转换器产生高于输入电压的输出电压,升压转换器的示例包括:


  • 在锂电池组中产生5V充电端口
  • 生产智能手机中的电源轨
  • 驱动LED或者手电筒中的串联LED
  • 基于Arduino 的项目中的电压调节器
  • 利用单节锂电池产生高电压来运行电机

下图为升压转换器的简化原理图,由电容、电感、MOS 管和二极管构成的简单电路。通过控制占空比或者MOS管导通的时间百分比,通过闭合反馈环路来控制输出。
传递函数或者输入电压与输入电压之间的比率为Vout/Vin = 1/(1-D)。
其中 Vout 是输出电压,Vin是输入电压,D是占空比。真正的升压转换器会有一个PWM控制器芯片,但在下图中没有明确显示。

升压转换器的简化原理图
这里必须要注意,如果升压转换器的输出端短路接地,则输入电压会通过电感和二极管短路接地,除了导线电阻和附加到输入电压的电源电流限制之外,没有其他因素限制流过的电流。
如果不采取措施保护升压转换器,就有可能会出现故障,并导致二极管、电感走线着火、熔化或者出现其他类型的灾难性故障。


二、一般保护策略


这里说的关于保护策略是在电源和升压转换器之间引入一个开关,用于在发生短路负载情况时将升压转换器与电源断开。


该开关可以实现为MOS管、负载开关、具有内置保护开关的升压转换器集成电路或者保险丝。


三、使用MOS管进行保护



添加到升压转换器前端的 MOS 可用于断开电源和升压转换器的连接。简化的原理图可以看下面 2 个图。

1、N 沟道 MOS 管

MOS管可能需要额外的电路来偏置栅极。N 沟道MOS管要求其栅极电压高于其源极端子。这可能需要栅极驱动器IC或者电荷泵。

升压转换器的简化原理图,在电源和升压转换器输入之间具有一个用于短路保护的 n 沟道 MOSFET

2、P 沟道 MOS 管

P 沟道MOS管要求将栅极拉至其源极端子以下,如果输入电压足够高,P沟道MOS管的栅极可以打开MOS管。

升压转换器的简化原理图,在电源和升压转换器输入之间具有用于短路保护的 p 沟道 MOSFET
因此使用 P沟道MOS管可能是最简单和最容易的选择。
请注意,在两个原理图中,MOS管体二极管都从升压转换器指向电源,因此除非MOS管导通,否则电流会被阻断。为此应用MOS时,漏源电压额定值、RDS(ON)和栅极电压阈值是需要考虑的重要数据。
漏源电压额定值应比最大输入电压高几个电压。通态电阻应该足够低,不会产生许多损失。
栅极阈值电压应该足够低,这样的话可以方便MOS管轻松开启和关闭。


四、使用负载开关进行保护


负载开关是集成附加电路的功率MOS管,其功能可能包括偏置MOS栅极的电荷泵和电平转换器。以及在电流过大时关闭开关的过流保护功能。
与使用 MOS 相比,使用负载开关具有以下优点:
  • 减少 BOM 数量
  • 减少PCB占地面积
  • 降低设计的复杂性,因此不需要添加额外的控制电路。



升压转换器的简化原理图,其输入端带有用于短路保护的负载开关。


五、具有内置保护的

升压转换器控制器


实用的升压转换器由调节功率转换的集成电路控制,其中一些升压转换器控制电路具有内置保护机制,例如负载开关,使用具有内置保护功能的控制器可简化设计,减少BOM数量并减少PCB占地面积。

具有内置保护的升压转换器IC的简化示例


六、保险丝保护



可以在升压转换器的输入或者输出上放置保险丝,以防止出现短路负载情况。有关如何完成操作的示例,请看下图。



升压转换器输入或输出上的保险丝保护。请注意,负载开关和 MOSFET 保护电路也可以放置在升压转换器输出和负载之间,如图所示的熔断器保护电路。

这里还是建议使用上面的其他办法,因为带保险丝的设计比较麻烦。如果发生短路,保险丝将熔断并必须更换。如果转换器正常工作,使用额外保护MOS、负载开关或者集成保护电路构建的电路将不需要更换任何组件。

这样的话可以节省更换烧毁保险丝的时间和钱。


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