探讨升压电源过负载时的负载电流与输出电压特性

时间： 2024-09-03 来源：ROHM（罗姆半导体集团公众号）

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本文的关键要点

・降压型DC-DC转换器具备过电流时的电压下垂特性，因此即使在发生异常时也很安全。

・升压型DC-DC转换器在过负载时，输入功率变为恒定功率，输出电流会随着输出电压的下降而增加，这一点需要注意。

・随着输出电压的下降，平均电感电流会增加，高边开关的导通时间会变长，因此高边开关产生的传到损耗会大幅增加。

・当输出电压进一步下降，达到V_IN＞V_OUT的状态时，将无法控制电流，电流会变为无限制状态，非常危险。

1. 前言

2. 降压型DC-DC转换器过负载时的负载电流特性

3. 升压型DC-DC转换器过负载时的输出电压特性

4. 升压型DC-DC转换器在过负载状态下的工作

5. 当负载电流进一步增加，输出电压低于V_IN时

6. 电路设计需要考虑到瞬时过负载状态

前言

大多数DC-DC转换器都具有通过过电流限制电路来保护开关器件的功能，该功能可防止过负载时的过大电流导致开关器件烧毁。但降压型和升压型的过电流限制工作方式不同，过负载时流过负载电路的电流状态也不同，升压型在过负载时的工作存在问题。

降压型DC-DC转换器过负载时的负载电流特性

大多数降压型DC-DC转换器是利用高边开关的电流限制功能来限制电感峰值电流，从而产生恒定的输出电流的。输出电压V_OUT=恒流值×负载阻抗，负载下的功耗P_OUT＝恒流值２×负载阻抗。负载阻抗越低，电压越低，功率损耗也越小。由于电流不增加，所以不会发生导线烧毁等问题，即使因负载异常导致阻抗降低，也很安全。

不过，其前提是高边开关的电流限制功能是正常的。另外，高边开关和电感器会持续流过恒定电流。特别是电感器，需要选择额定值大于恒流值的产品。

升压型DC-DC转换器过负载时的输出电压特性

在升压型DC-DC转换器中，低边开关的电流限制是输入电流限制，在过负载状态下，输入电流会变为几乎恒定的恒流状态（随着输出电压下降，电感纹波电流减小，输入电流的平均值可能会因此提高）。所以，在过负载状态下，输入功率P_IN等于V_IN×恒流值，虽然会略有增加，但可以说输入功率几乎恒定。尽管受转换效率影响输出功率会低于输入功率，但输出功率几乎是恒定值。最终结果是输出电流I_OUT大概为I_OUT=P_IN×效率η÷V_OUT，虽然会受效率变化的影响，但当输出电压在过负载状态下下降时，电流将与此时的输出电压成反比增加。因此，与降压型转换器不同，升压型DC-DC转换器的负载阻抗即使因过负载状态而降低，负载所产生的损耗也不会减少，而且电流与正常工作时相比会不断增加。因I²R而增加的导通损耗，可能会导致电路板导线烧毁等次生故障，使故障更加严重。

升压型DC-DC转换器在过负载状态下的工作

本节将介绍升压型DC-DC转换器在过负载时的工作情况。在低边开关导通期间，流经电感器的电流以“V_IN÷L”的升降速度增加，而在高边开关导通期间，流经电感器的电流会以“（V_OUT－V_IN）÷L”的升降速度减小。当进入过负载状态时，输出电压将无法维持并且会下降。其结果是高边开关导通时的电流升降速度“（V_OUT－V_IN）÷L”减小，电感电流的减少量变小。当下一次低边开关导通时，将从较大电感电流状态开始，因此会快速达到过电流限制值，低边开关会关断，导通时间会变短。此时，输出电压低于设置电压，因此负反馈控制系统会试图延长导通时间并提高电流。但是，由于过电流限制功能会快速关闭，因此开/关工作并不是基于负反馈的PWM控制，而是通过时钟导通并通过过电流限制功能关闭的开/关工作。

当负载阻抗进一步降低，输出电压下降时，电感电流的减少量也会减小，因此低边开关带来的电流增加量也会减小，低边开关的导通时间变短，高边开关的导通时间变长。由于低边开关的导通时间变短，所以低边开关的导通损耗减少，但高边开关的导通时间变长，与额定工作时相比，导通损耗导致的发热量会增加。如果热设计没有足够的余量，高边开关可能会因温升而损坏，最差的情况下可能会烧毁。

当负载电流进一步增加，输出电压低于V_IN时

当输出电压进一步下降，达到V_IN＞V_OUT时，如果高边开关是二极管，或者由于同步整流而在FET中存在寄生二极管，则会形成“V_IN⇒电感⇒（寄生）二极管⇒V_OUT”的电流路径，因此将会从电源直接给负载提供电流。如果在这条电流路径上未添加某种电流限制电路，就无法限制电流，因此电流可能会达到电源的最大电流能力。由于该电流远大于额定工作时的输出电流，因此不仅可能会引发电感器和高边开关器件烧毁等问题，还可能会导致输出铜导线烧毁等问题。

电路设计需要考虑到瞬时过负载状态

在过负载时，低边开关也受其自身的过电流限制功能保护，但只有少数产品具有限制高边开关和电感器过电流的功能。当使用升压型DC-DC转换器驱动电机时，电机启动时的浪涌电流需要达到稳定运行时的数倍。而使用降压型DC-DC转换器驱动时，由于过电流限制功能引发的电压下降问题，会导致电机无法正常启动。但使用升压型DC-DC转换器驱动时，即使电压下降，由于供电电流会增加，所以能够驱动的可能性更大。然而，由于存在电流超过额定值而导致的烧毁风险，因此在设计时，需要确保高边开关器件和电感器具有足以处理过大电流的电流能力。

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