【经验】升压型电源转换器SCT12A1输出短路保护设计

时间： 2021-05-27 来源：芯洲科技

技术问答

对于升压型电源转换器（后文简称BOOST），无论同步还是非同步类型，输入与输出之间由于转化器架构的制约，存在一条由输入端、经电感、再经二极管（非同步升压转换器）或开关MOSFET（同步升压转换器）的体二极管、至输出的电流通路。由于这条电流通路的存在，即使设备处于关闭状态，依然有电压输出。这种在系统启动前不期望的输出电压，不但可能导致系统闭锁或故障，而且会增加系统的待机损耗。同时如果输出不慎接地短路，升压转换器输入与地形成通路导致瞬间电流过大，从而损坏升压电源转换器以及后级电路。针对上述问题，本文详细介绍芯洲科技 SCT12A1负载断开功能以及输出短路保护功能，有效提高升压电源转换器的可靠性。

1、升压转换器不可避免的直流通路及其在应用中影响

开关型升压转换器电路包括开关管Q1，续流管Q2，储能器件电感L，输出电容Cout。在一个开关周期里，当开关管Q1闭合的时候，续流管Q2关断，输出电容Cout存储的电荷与前级电感L和开关管Q1断开，对后级电路放电。电感L，开关管Q1形成独立回路。电源对电感充电，电感L储能。开关管Q1断开，由于电感的电流方向不能突变，电流继续从电感近输入端一侧流向输出端侧，续流管Q2导通，此时，电感和电源的极性一致，给输出电容充电。

图1 BOOST基本结构

在BOOST升压转换器停止工作的状态下，一旦存在输入电压，从输入端经电感L，再经续流管Q2体二极管直至输出端，存在一个不可避免的电流通路。由于这个通路的存在，即便转换器在停止工作状态下，输出端依旧有电压存在，即输入电压。也就是常说的负载未完全断开。在使用升压型转换器的终端设备中，负载未完全断开会增加整个系统关机状态下的功耗。对于电池供电的移动设备，大的关机功耗会降低一次充电下电池的续航时间。同时，由于输出端在关机状态下始终有电压存在，一旦发生输出短路，输入端与地之间形成直接通路，瞬间产生巨大电流，进而损坏转换器和输出端负载。

2、SCT12A1的输出短路保护原理(芯洲科技发明专利)

针对BOOST存在不可控电流路径的问题，SCT12A1提供了如下解决方案。如图2所示，在转换器输出和负载端之间插入P型MOSFET来断开负载并提供输出端短路保护。P型MOSFET的源极连接到SCT12A1的VOUT引脚。VOUT引脚端需要加输出电容以维持控制回路的稳定性。连接ENPGATEZ引脚到地，使能SCT12A1负载断开保护功能。连接到栅极Q3的PGATE具有恒定抽电流能力和上拉能力。SCT12A1启动时，内部电路控制P沟道MOSFET软启动以减小启动时浪涌输入电流。当外部P型MOSFET栅极源极电压差低于阈值电压，Q3打开，负载连接到VOUT引脚。P沟道MOSFET完全打开时，栅源钳位电压是8V。如Figure 2所示，SCT12A1在内部上管Q2导通时，通过检测流过Q2电流来判断是否负载电流过流或者输出对地短路。当上管Q2检测到电流过流，SS引脚对地放电，外部的P沟道MOSFET立即关断。负载与VOUT输出完全断开。当上管Q2关断，SCT12A1比较VIN和VOUT压差，如果输出电压低于输入电压1V，SCT12A1切断外部Q3，立即断开负载。

图2 负载断开控制以及输出短路保护原理图

当检测到输出对地短路时，SCT12A1通过打嗝工作模式最大限度地降低功耗。也就是说，当内部Q2的过电流触发负载断开保护，SS引脚复位，升压转换器停止工作。当SS引脚再次充电达到1.2V，转换器恢复正常开关，并开通Q3。当故障消除后，SCT12A1自动恢复正常工作。SCT12A1提供可变的打嗝时间，用户可以通过外部引脚SS电容进行调节，详细设置将在下一节介绍。当负载电容C5B>>C5A，且带载启动的极端应用情况下，SCT12A1在启动时可能会触发过流保护，需要适当加大C5A容值来正常启动系统。

3、外围电路设计

3.1 SS管脚电容选择，设置打嗝时间SCT12A1短路保护的打嗝时间可以通过调节SS引脚与地之间电容容值进行调整。当短路保护被触发之后，SS引脚复位对地放电，内部5μA的电流源对SS引脚外接的电容进行充电。当SS电压超过1.2V后，再一次启动打嗝，打嗝工作时序如图3所示。打嗝时间可以通过公式（1）计算得到。

图3 输出短路保护，打嗝工作模式时序

3.2 外部P型MOSFET选择

P型MOSFET置于BOOST输出端和负载端之间。发生短路时, VOUT_LOAD短路，而VOUT依旧正常输出。

图4 短路时P型MOSFET两端电气特性

输出短路保护时，BOOST输出端在Q3导通时候可以直接等效V_DS=V_OUT。外置Q3的安全工作区（SOA）需要谨慎遵守。短路保护过程中，产生的热可以参照(2)计算：

例如，VOUT=12V, ISHORT=15A,tSHORT=60us。短路过程产生的热为5.4mJ。选择外置P型MOSFET时候，需要留出足够的裕量，以保证Q3在短路事件中不会被毁坏。接着上面假设的应用条件，Q3选择应该需要满足这样的要求：

外部P型MOSFET选择示例：

图5 FDMC612PZSOA

图6 CSD25404Q3SOA

4、SCT12A1输出短路保护波形

图8 输出短路保护，VIN=3.6V, VOUT=9V, IOUT=0A

图9 输出短路保护，VIN=3.6V, VOUT=9V, IOUT=3A

5 、结论

SCT12A1通过控制外接PMOS的方法，可以有效解决BOOST电路输出负载无法断开的问题，同时能够提供有效的负载短路保护，从而保证在输出短路的情况下，BOOST芯片和负载都不会损坏。

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