在滿足保護(hù)要求的前提下,，升壓轉(zhuǎn)換階段可以通過負(fù)載上的局部電壓提供系統(tǒng)優(yōu)勢。

　　作者：德州儀器 (TI) Daniel Braunworth,、Eric Lee

　　啟動時的輸出短路故障,、過載、其他故障,、以及高電容負(fù)載會嚴(yán)重?fù)p傷或降低輸入電源,，破壞負(fù)載。負(fù)載本身對于電壓的要求也許會很嚴(yán)格，甚至需要高于主輸入電源的更高的電壓,。這些條件和需求可能會導(dǎo)致輸入的電源被過度設(shè)計或負(fù)擔(dān)過重,，尤其是在提升負(fù)載時。與用于高電壓負(fù)載的升壓轉(zhuǎn)換器共同面臨的問題是,，它會提供機(jī)制以保護(hù)下游電路,。這是由于從輸入到輸出的固有通路徑加劇了主供應(yīng)的壓力，降低了系統(tǒng)的可靠性,，特別是在故障或過載的條件下,。

　　在某些系統(tǒng)中，負(fù)載需要輸入電壓高于主電源所能提供的電壓,。低壓電池供電類系統(tǒng)就是其中之一,。具有固定總線電源（此電源可以提供在長電纜和通信系統(tǒng)上運(yùn)用的高效功率放大器）的工業(yè)用系統(tǒng)往往會需要一個來自寬輸入電壓范圍DC/DC穩(wěn)壓器的升壓。

　　升壓電源具有某些系統(tǒng)優(yōu)勢,。在具有大型線束的系統(tǒng)中,，高壓可以降低傳送總功率所需要的線規(guī)。通過深入研究48V電池,，汽車行業(yè)一直在分析昂貴且笨重的電纜連接所帶來的問題,。諸如RF發(fā)射器等具有高功率放大器的系統(tǒng)在使用由更高電源電壓供電運(yùn)行的全新晶體管時效率更高，輸出功率密度更大,。某些關(guān)鍵系統(tǒng)需要通過電容能量儲存來保存電能,，而這就需要在一個更高電壓上保持更少的電容值 (E = 1/2*C*V2)。升壓保持電路可以使解決方案的尺寸更小,。

　　如果不考慮升壓轉(zhuǎn)換器的自然限制,，系統(tǒng)可靠性會降低同時成本會增加，從而會導(dǎo)致系統(tǒng)其它部件的過度設(shè)計,。升壓電路具有一個從輸入到輸出的自然導(dǎo)通路徑（圖1）,。即使這個轉(zhuǎn)換器是關(guān)閉的，電流也可以通過升壓二極管或同步功率FET的體二極管流至輸出,。

　　(a) 異步升壓

　　(b) 同步升壓

　　如果負(fù)載是重電容,，由于升壓轉(zhuǎn)換器無法提供任何的負(fù)載隔離，主電源或電池必須能夠耐受住勵磁涌流的負(fù)擔(dān),。

　　如果沒有單獨的限流機(jī)制,，主電源會被過度設(shè)計。在報警系統(tǒng)等需要后備電池的系統(tǒng)中,，無限地汲取電流會影響電池的可靠性,，因此系統(tǒng)也許會需要一個更大的電池。甚至預(yù)料之中的重負(fù)載條件也會使有限電源（比如說一個電池）的系統(tǒng)電壓軌上的電路斷電,，并產(chǎn)生意外的系統(tǒng)重啟,。通過一個共用電源總線供電的模塊化系統(tǒng)也會在啟動時存在風(fēng)險。在沒有勵磁涌流限制或與之配合的加電排序時，這個電源總線會根據(jù)最大電源電流的能力限制可允許模塊的數(shù)量,。

　　諸如過載時出現(xiàn)的電機(jī)堵轉(zhuǎn)等,，負(fù)載故障會汲取強(qiáng)電流。噴射器內(nèi)使用的螺線管是另外一個經(jīng)常會出現(xiàn)短路故障的負(fù)載,。帶電機(jī)的可插拔模塊也許需要一個升壓電壓軌（由主系統(tǒng)提供）在可拆卸組裝內(nèi)節(jié)省空間和成本,，不過也有可能會在熱插拔情況下從主電源汲取過多的電流。一個未受保護(hù)的升壓轉(zhuǎn)換器不具備緩解這些風(fēng)險的條件,；它只是將這些負(fù)擔(dān)經(jīng)上游電路傳至電源,。設(shè)計人員經(jīng)常通過主電源的過度設(shè)計和過度使用來解決這個問題，但是我們完全可以通過簡單的限制和保護(hù)技巧在升壓負(fù)載出現(xiàn)故障時也能夠節(jié)省系統(tǒng)成本,、增加可靠性,。

　　保護(hù)方法

　　圖2. 使用一個NTC熱敏電阻實現(xiàn)的無源勵磁涌流限制。

　　最簡單的限流機(jī)制是采用一個負(fù)溫度系數(shù) (NTC) 熱敏電阻（圖2）,。由于在冷卻時出現(xiàn)高阻抗,，NTC在開始啟動時限制勵磁涌流。其自身功率耗散所導(dǎo)致的自發(fā)熱可使阻抗下降,，從而能夠使更多的電流流過,。這個方法的優(yōu)勢在于簡便易行且成本低廉。然而,，在惡劣條件下使用這個方法會帶來某些缺點,。比如，在汽車發(fā)動機(jī)艙等溫度大幅變化的環(huán)境內(nèi),，會出現(xiàn)使NTC初始阻抗降低的高環(huán)境溫度；此外,，如果不仔細(xì)管理整個環(huán)境運(yùn)行條件,，就會導(dǎo)致過多的勵磁涌流。如果出現(xiàn)重新啟動的情況,，NTC器件溫度也許會在下一次加電之前尚未冷卻,。在輸出電容完全放電時，由于散熱速度較慢,，NTC對于勵磁涌流的限制會變到最低,。此外，如果負(fù)載出現(xiàn)短路故障,，NTC將無法限制比所選標(biāo)稱運(yùn)行條件高的電源電流,。最后，NTC方法對于單一功能保護(hù)有效,，但是由于使用的是無源組件,，這個方法也會受到某些限制。

　　圖3. 使用熱插拔的有源勵磁涌流限制。

　　選擇像MOSFET這樣的主動限制裝置需要一個勵磁涌流限制控制器的控制電路,，它也被稱為熱插拔控制器或電子熔絲,。這是一個位于升壓控制器之前的附加集成電路 (IC)，很多此類的控制器（圖3）特有包含電流和電壓環(huán)路的可編程涌入限制,，旨在確保MOSFET保持在安全工組區(qū) (SOA) 內(nèi)的同時,，控制涌入率。SOA用于監(jiān)視維持關(guān)鍵保護(hù)器件的長期可靠性,。此外,，涌入控制器會具有兩個電流閥值：一個用于規(guī)范涌入限制，第二個是在嚴(yán)重過流情況下用于完成斷路器功能,。這種方式的一個明顯優(yōu)勢就是你能夠?qū)崿F(xiàn)它的先進(jìn)保護(hù)特性,；然而，通常來說,，這個解決方案的成本和復(fù)雜度要高于無源方法,。

　　第三個保護(hù)選項是一個具有集成涌入限制控制的升壓控制器。這個方法仍然需要將一個附加的MOSFET用作保護(hù)器件,，因為升壓的高端元件（一個續(xù)流二極管或同步MOSFET）無法反向,。然而，如圖4所示,，與熱插拔控制器方法相比,，將升壓和保護(hù)控制集成在一個IC中有助于降低解決方案復(fù)雜度和尺寸，同時也提供了很多其它保護(hù)特性,。

　　圖4. 支持集成勵磁涌流限制的升壓控制器,。

　　為最壞的情況選擇MOSFET

　　為確保實現(xiàn)穩(wěn)健耐用的解決方案，任何的限制方法都需要縝密的設(shè)計,，對于功率耗散器件更是如此,。當(dāng)使用一個MOSFET時，一定要注意器件的安全工作區(qū),，設(shè)定電流是其中一個需要考慮的參數(shù),。在進(jìn)行MOSFET選型時，需要考慮切斷電壓（漏/源電壓）的峰值,，以及它將處于極端組合條件下的時間長度,。

　　根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計需要，通過計算保護(hù)器件在涌入,、輸出短路和突然電路斷開情況下,，在保護(hù)器件上出現(xiàn)的峰值能量，下面的方程式將有助于選擇一個具有足夠雪崩能量額定值的MOSFET,。

　　針對涌入考慮的充電能量為：

　　在這里

　　EINRUSH = 以焦耳 (J) 為單位的輸出電容器充電能量,。

　　COUT = 以法拉 (F) 為單位的最大輸出電容值,。

　　VINMAX = 以伏特 (V) 為單位的最大輸入電源電壓。

　　雖然在最差的情況下輸出電容器充電電流與出現(xiàn)短路時的情況相類似,，MOSFET真正的短路故障情況的要求會更加嚴(yán)格,。MOSFET能夠耐受的短路能量取決于：

　　在這里：

　　ESHORT = 以焦耳 (J) 為單位的短路保護(hù)能量。

　　IINRUSH(TH) = 以安培 (A) 為單位的勵磁涌流限制閥值,。

　　tDELAY = 以秒 (s) 為單位的延遲時間,。

　　所選保護(hù)控制器也許具有一個故障安全斷路器的電流閥，從而觸發(fā)瞬時輸入斷開,。斷路器的能量計算與短路情況下相類似,，不過，保護(hù)控制器會設(shè)定一個不同的電流閥值,。MOSFET上有可能出現(xiàn)的最差情況能量由控制器的響應(yīng)或延遲時間計算得出,。

　　在這里：

　　ECIRCUIT_BREAKER = 以焦耳 (J) 為單位的斷路器保護(hù)能量

　　ICIRCUIT_BREAKER(TH) = 以安培 (A) 為單位的斷路器閥值電流

　　需牢記的一點是，雖然將MOSFET用于保護(hù)功能可實現(xiàn)對涌入或故障情況的快速響應(yīng),，但是你應(yīng)該在MOSFET的輸出端上執(zhí)行一個適當(dāng)?shù)碾妷壕彌_,，以確保用于保護(hù)功能的器件不會使下游電路出現(xiàn)問題。在升壓電路中,，保護(hù)器件之后出現(xiàn)的第一個直插式組件是原邊電感器,。續(xù)流二極管可以管理保護(hù)MOSFET與電感器之間的任何電壓振鈴，它只有在保護(hù)開關(guān)迅速關(guān)閉時才會導(dǎo)電,，特別是在斷路器位于電感器左側(cè)時（圖5）,。

　　圖5. 輸入過壓瞬態(tài)抑制電路。

　　其它保護(hù)特性

　　在選擇一個保護(hù)控制器時,，你也許還需要考慮另外一個特性,，那就是重試定時器，也被稱為打嗝模式,。如果設(shè)備經(jīng)歷了一個間斷過流故障能夠自動重試,，且無需整個系統(tǒng)重新啟動的話，這對于整個系統(tǒng)是有好處的,。該模式能使保護(hù)控制器打開MOSFET，并且在特定的時間長度內(nèi)等待故障被消除,，然后通過初始化涌入控制序列來重試,。如果故障仍然存在，控制器也許會無限次的重試,，或者在特定的重試次數(shù)后鎖存,。

　　將一個MOSFET用作保護(hù)器件的第二個優(yōu)點就是可以實現(xiàn)簡單的輸入過壓保護(hù)電路 (/)。通過將一個合適的齊納二極管連接至MOSFET的柵極,，F(xiàn)ET的柵源電壓受到二極管的鉗制后,，會使得MOSFET在源極電壓增加時被拉回至歐姆運(yùn)行方式,。這個二極管的擊穿電壓設(shè)定了有效的輸出電壓鉗位值。當(dāng)MOSFET在歐姆區(qū)域內(nèi)運(yùn)行時會作為一個線性穩(wěn)壓器,，不過有一點需要注意,，那就是最大允許鉗制時間將受到MOSFET屬性的限制。