一種DC／DC轉(zhuǎn)換器的短路保護(hù)電路設(shè)計

摘要 針對負(fù)載短路會對DC／DC造成性能不穩(wěn)定或損壞的情況，提出一種新型短路保護(hù)電路，有效地避免了傳統(tǒng)電路在短路時大電流輸出造成的能量浪費。該保護(hù)電路采用在負(fù)載短接時，通過改變電流限比較器輸入端基準(zhǔn)電壓達(dá)到降低電路最大輸出電流的措施。采用0．35μm BCD工藝將該電路應(yīng)用于一款高壓同步BUCK型DC／DC轉(zhuǎn)換器中，specter仿真結(jié)果表明，當(dāng)負(fù)載短路時，該芯片的短路電流只有30 mA，與傳統(tǒng)保護(hù)電路相比，降低了短路時的輸出電流，達(dá)到節(jié)約能量的目的。
關(guān)鍵詞 DC／DC；短路保護(hù)；電感電流最大值

DC／DC轉(zhuǎn)換器因其體積小、重量輕、效率高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點得到了廣泛的應(yīng)用。隨著單片集成技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)變換器在精度和性能上的要求不斷提高。而DC／DC變換器作為系統(tǒng)內(nèi)部能量使用者和外部能量提供者的接口器件，其性能和可靠性直接關(guān)系到系統(tǒng)的安全。作為功率處理器件，DC／DC變換器一直是系統(tǒng)可靠性設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)，其中過流和短路是實際工作中常見的兩種異常工作模式。當(dāng)DC／DC變換器工作在過流或短路狀態(tài)時，若不能及時正確處理，不僅會加速元件老化，甚至?xí)?dǎo)致DC／DC變換器自身損壞，使整個系統(tǒng)陷于癱瘓，嚴(yán)重時還會引起觸電、火災(zāi)等安全事故。因此，完善的短路保護(hù)設(shè)計是高可靠DC／DC變換器的基本要求。
DC／DC變換器是一個負(fù)反饋系統(tǒng)，它通過輸出電壓VOUT進(jìn)行得到的采樣信號FB與基準(zhǔn)電壓VREF1進(jìn)行誤差信號，EA的輸出電壓COMP與通過電流采樣的電壓進(jìn)行比較輸出占空比可變的脈沖信號，來控制功率通道的導(dǎo)通時間，實現(xiàn)輸出穩(wěn)壓。當(dāng)VOUT較大時，通過減小占空比達(dá)到減小功率管MP的導(dǎo)通時間；反之，通過增大占空比達(dá)到增大功率管MP的導(dǎo)通時間。
當(dāng)DC／DC變換器工作在短路狀態(tài)時，輸出電壓為零，輸出電壓的采樣電路無法正常工作，導(dǎo)致放大電路無法工作而使系統(tǒng)回路斷開，DC／DC變換器處于失控狀態(tài)。對于峰值電流型控制，由于電流反饋環(huán)路的作用，保持電路工作在一個固定占空比，占空比的大小取決于EA輸出電壓的高嵌位電壓設(shè)計。但是，受電路中各種條件和因素的制約，難以將占空比控制到最小值達(dá)到降低短路時芯片的功耗。在輸出短路時，每個開關(guān)周期功率管導(dǎo)通阻抗在大電流時產(chǎn)生大量的熱，并全部消耗在DC／DC變換器內(nèi)部。若無短路保護(hù)措施，在短時間內(nèi)，輸入電流變大，使DC／DC變換器的電流環(huán)路也工作在過載狀態(tài)，會因芯片過熱而影響其壽命；嚴(yán)重時造成DC／DC變換器輸入損壞。短路保護(hù)的主要目的是降低短路時的功耗。理想的保護(hù)方式是在發(fā)生短路時關(guān)斷功率通路，使DC／DC變換器不再損耗能量，但在故障消失時自動恢復(fù)正常。評價短路保護(hù)的優(yōu)劣主要看短路時功耗的大小和短路釋放時能否及時恢復(fù)到正常的工作狀態(tài)。短路時電路的功耗越小，短路釋放時恢復(fù)到正常的工作狀態(tài)電路所需的時間越短，電路的可靠性越高。

1 傳統(tǒng)保護(hù)電路設(shè)計
由于過流和短路在原因和現(xiàn)象上的相似性，具備過流保護(hù)功能的電路也具備一定的短路保護(hù)功能。當(dāng)輸出電流過大時通常采用過載保護(hù)電路將輸出電流控制在某一最大值，確保電路不會因為輸出電流過大而損壞芯片。

圖1中虛線中的電路為過流保護(hù)和短路保護(hù)放在一起的框架圖。當(dāng)輸出短接到地時，此時采樣電壓FB為0，誤差放大器不能正常工作，其輸出COMP端電壓為高電平，若沒有短路保護(hù)電路，系統(tǒng)則以大電流輸出，直至燒壞整個芯片。傳統(tǒng)保護(hù)電路如圖1所示，當(dāng)輸出短路時，通過電流采樣電路將輸出電感電流進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)化成采樣電壓Vsense，與基準(zhǔn)VREF2進(jìn)行比較，當(dāng)Vsense大于VREF2時，關(guān)斷功率管MP。其Vsense與IL的關(guān)系

此時的電感電流較大，超過正常工作時的最大輸出電流，會因短路功耗大而縮短承受短路的時間，從而影響產(chǎn)品及系統(tǒng)的可靠性。因此，對過流和短路有針對性地分別設(shè)計保護(hù)電路，有利于提高產(chǎn)品的可靠性。

2 新型短路保護(hù)電路
圖2為新型含有短路保護(hù)電路的DC／DC變換器的整體框架圖。圖2中虛線部分的電路包含短路保護(hù)和過流保護(hù)兩種功能，該電路實現(xiàn)了將短路和過載兩種異常狀態(tài)分開處理。