【经验】芯洲科技升压型电源转化器SCT12A1在输出硬短路下的负载断开保护功能介绍

时间： 2021-05-20 来源：芯洲科技

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开关型DCDC升压转换器,升压型电源转化器,升压型DCDC转换器,SCT12A1

对于升压型电源转化器（Boost DC/DC Converter，后文简称Boost），无论同步类型还是非同步类型，输入端与输出之间由于转化器架构的制约，始终存在一条由输入端、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，输出端始终有电压输出。这种在系统启动前不期望的输出电压，不仅会导致系统闭锁或故障，而且会增加系统的待机功率损耗。同时，在此种情况下，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，进而损坏器件，并在负载电路端造成灾难性故障。

针对上述问题，本文将详细介绍芯洲科技 SCT12A1负载断开功能（芯洲科技专利设计）在输出硬短路（Hard short）状况下的硬短路保护功能，有效提高升压电源转化器的可靠性。

图1为典型开关型DCDC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。

图1. Boost基本结构

在一个开关周期里，当开关闭合的时候，续流管Q2关断，输出电容Cout存的电荷与前级电感L和开关管Q1断开（此时Cout与电感L通过续流管Q2的寄生体二极管电气连接，由于该体二极管导通能力非常弱，故在介绍Boost型DCDC转换器时候简化为此时Q1与L断开），对后级电路放电。

电感L，开关管Q1与输出形成独立回路。电源对电感充电，电感L储能。开关断开，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，续流管导通，此时，电感和电源的极性一致，给电容充电。在开关型DCDC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体直至输出端，从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，既输入电压。也就是常说的负载未完全断开。

在使用升压型DCDC转换器的电子器件中，负载的未完全断开，会增加整个系统关机状态下的功耗。对于现在越来越多的电池供电的移动设备，关机状态下的功耗会一次充电下电池的续航时间，也就是终端消费者口中的“电池漏电”现象。同时，由于输出端在关机状态下始终有电压存在，一旦发生输出端短路，输入端与地之间形成直接通路，瞬间产生巨大电流，但又不能通过关机的方式来保护整个系统，进而带来损坏转换器有源器件和整个负载系统的风险。

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，在转换器输出和负载端插入P沟道型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。在VOUT引脚和P型MOSFET的源极需要接输出电容，以维持控制回路的稳定性。

SCT12A1硬短路保护功能的打嗝时间可以通过SS引脚与地之间电容容值不同进行调节。当硬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。打嗝时间可以通过公式1计算得到。

t_SS=(C_SS* V_REF)/I_SS (1)

其中：

tSS ：软启动时间

VREF: 内部参考电压 1.2V

CSS：SS引脚的对地电容

ISS：内部对SS引脚充电电流 5uA

外部P-FET选择

P-FET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2. 短路时P-FET两端电气特性

硬短路保护时，Boost输出端在P-FET导通时候可以直接等效计算：

V_DS=V_OUT

I_(DS_DC)=I_OUT

外置P-FET的安全工作区（Safe Operation Area, SOA）需要谨慎遵守。短路保护过程中，产生的热可以这样计算：

Q_FET=1/2×V_OUT×I_SHORT×t_SHORT

例如，VOUT=12V, ISHORT=15A,tSHORT=60us，这样这样短路过程产生的热QFET为5.4mJ。

选择外置P-FET选择外置P-FET时候，需要流出足够的裕度，以保证P-FET在短路事件中不会被毁坏。接着上面假设的应用条件，在12V-VOUT/1A-IOUT的条件下，P-FET的选择应该需要满足这样的要求：

V_DS≥12 V

I_(DS_DC)≥1A

SOA>3.6 mJ

外部FET选择示例

FDMC612PZ -20VDS，-14A Id, 10nC Qg Fairchild

CSD25404Q3 -20VDS, -18A Id, 10.9nC Qg Texas Instruments

图 3. Fairchild FDMC612PZ SOA

图 4. TI CSD25404Q3

SCT12A1硬短路保护应用波形

图 5. 0A负载下输出硬短路（PFM）

VIN=3.6V, VOUT=9V, Ta=27ºC

图6. 3A负载下输出硬短路（PFM）

VIN=3.6V, VOUT=9V, Ta=27ºC

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2022/8/3 - ROHM - 选型指南 - Edition 2022 代理服务技术支持采购服务

芯洲科技升压DCDC转换器选型表

同步升压DCDC选型参考，最小输入电压2.7V，最大输入电压20V，输出电压4.5V-21V ，最高15A的可编程开关峰值电流，开关频率范围：200kHz～2.2MHz

产品型号	品类	Package	Switch Freq (Max)（KHz）	Switch Freq (Min)（KHz）	Iq Typical（mA）	Vout (Max)（V）	Vout (Min)（V）	Vin (Max) (V)	Vin (Min)（V）	控制方式
SCT1271FQAR	同步升压DCDC转换器	QFN-11	2200	200	0.15	12.6	4.5	12	2.7	PCM

选型表 - 芯洲科技立即选型

芯洲科技公司介绍

描述- 芯洲科技是一家专注于电源集成解决方案的企业，提供功率转换和栅极驱动集成电路。公司质量控制严格，产品高可靠性。芯洲科技在2016年成立，总部位于北京，并在成都、杭州、深圳等地设有分公司。公司产品线涵盖开关电源、功率控制、系统集成和电池管理等领域，广泛应用于工业、个人电子、车载等领域。芯洲科技注重技术创新，致力于提供优质、优价、优供的产品和服务。

型号- SCT2A11,SCT2A10,SCT2280,SCT2360,SCT2230,SCT2430,SCT2630,SCT2432,SCT2A11A,SCT2631,SCT2433,SCT22C0,SCT12AX,SCT9339,SCT2221,SCT2220,SCT2421,SCT23XX,SCT2420,SCT9336,SCT2A10A,SCT2620,SCT2422,SCT9338,SCT2330T,SCT12A0,SCT12A1,SCT12A3,SCT9331,SCT2610A,SCT9330,SCT2450,SCT2251,SCT2650,SCT2452,SCT2331,SCT2451,SCT2330C,SCT2330,SCT2850,SCT2330H,SCT9325,SCT2332,SCT2610,SCT2851,SCT2A20,SCT2220T,SCT2A21,SCT63241,SCT63240,SCT9320,SCT9321,SCT2250,SCT2241,SCT2361,SCT2260A,SCT52240,SCT2240,SCT2320,SCT2220H,SCT2321,SCT2400,SCT2260C,SCT2323,SCT2325,SCT2449,SCT2448

2020 - 芯洲科技 - 商品及供应商介绍代理服务技术支持采购服务

【应用】车规级升压DC-DC SCT12A1用于车载T-BOX，多范围输出电压4.5~14.6V

在车载T-BOX中，电源设计是非常重要的一环。根据此需求，本文介绍一款芯洲科技推出的车规级升压DC-DC SCT12A1，有4.5V~14.6V多范围输出电压，最高达12A的输出电流，输出效率高，输出电流10A时，多个输出电压下，效率均可达到95%以上。

2023-02-15 - 应用方案代理服务技术支持采购服务

SCT12A2 2.7V-20V VIN，15A开关电流，完全集成同步升压转换器，带负载断开控制

描述- SCT12A2是一款高效同步升压转换器，集成了高侧MOSFET和低侧MOSFET，支持2.7V至20V的输入电压范围和高达15A的开关电流。该产品具有宽输入电压范围、高效率、负载断开控制等功能，适用于蓝牙音频电源银行、Type-C供电等领域。

型号- SCT12A0,SCT12A1,SCT12A2,SCT12A3,SCT12A2DHK,SCT12A2DHKR

2021/07/29 - 芯洲科技 - 数据手册代理服务技术支持采购服务

SCT12A0 2.7V-14V Vin，30W全集成同步升压转换器

描述- SCT12A0是一款宽输入电压范围（2.7V-14.0V）的高效率同步升压转换器，具有完全集成的13mΩ高边MOSFET和11mΩ低边MOSFET。该器件支持高达12A的开关电流，并具备可编程峰值电流限制、典型关断电流为1uA等特点。它还提供可编程软启动时间、热关断保护和过压保护功能。

型号- SCT12A0,SCT12A1,SCT12A0DHKR

December 2017 - 芯洲科技 - 数据手册代理服务技术支持采购服务查看更多版本

SCT12A3 2.7V-20V VIN，15A开关电流，完全集成同步升压转换器，带负载断开控制和可调自适应输出（AAO）

描述- SCT12A3是一款高度集成的同步升压转换器，具有宽输入电压范围（2.7V-20V）、高效率（最高达96%）、可编程峰值电流限制、自适应输出调节等功能。该产品适用于蓝牙音频等领域。

型号- SCT12A0,SCT12A1,SCT12A2,SCT12A3,SCT12A3DHK,SCT12A3DHKR

2021/07/30 - 芯洲科技 - 数据手册代理服务技术支持采购服务查看更多版本

SCT12A1 2.7V-14V Vin，30W全集成同步升压转换器，带负载断开控制

描述- SCT12A1是一款高效同步升压转换器，集成了高侧MOSFET和低侧MOSFET，支持2.7V至14V的输入电压范围，最大开关电流可达12A。该产品具有负载断开控制功能，可防止在关机或输出短路到地的情况下损坏负载。

型号- SCT12A1DHKR,SCT12A0,SCT12A1

2021/07/29 - 芯洲科技 - 数据手册代理服务技术支持采购服务查看更多版本

带负载断开评估板的EV12A1-B-02A 30W同步升压转换器

描述- 该资料介绍了SCT12A1，一款高效集成30W同步升压转换器，具备负载断开功能。该设备通过外部P沟道MOSFET控制负载与升压转换器输出之间的断开，防止在关断或输出短路到地的情况下对负载造成损害。设备还具备过流保护、输出和反馈过压保护以及热关断保护等功能。SCT12A1采用节省空间的20引脚DFN 3.5mmx4.5mm封装。资料详细描述了EV12A1-B-02A评估板的特性、操作和使用方法，包括EVM规格、推荐测试设置、测试结果、原理图、物料清单和板级布局。

型号- SCT12A1,EV12A1-B-02A

August 2017 - 芯洲科技 - 用户指南 - Rev 1.0 代理服务技术支持采购服务