【導(dǎo)讀】在滿足保護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。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,它會提供機制以保護下游電路。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。
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)的電機堵轉(zhuǎn)等,負(fù)載故障會汲取強電流。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。
保護方法
最簡單的限流機制是采用一個負(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)稱運行條件高的電源電流。最后,NTC方法對于單一功能保護有效,但是由于使用的是無源組件,這個方法也會受到某些限制。
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)它的先進保護特性;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特性。
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,通過計算保護器件在涌入、輸出短路和突然電路斷開情況下,在保護器件上出現(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MOSFET與電感器之間的任何電壓振鈴,它只有在保護開關(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)。
其它保護特性
在選擇一個保護控制器時,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。