四種方法讓你的Boost電路更安全

時間：2021-03-01 15:50:44

關(guān)鍵字： Boost電路開關(guān)電源

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[導(dǎo)讀]今天介紹的主角是boost升壓電路，the boost converter（或者叫step-up converter），是一種常見的開關(guān)直流升壓電路，它可以使輸出電壓比輸入電壓高。

開關(guān)電源最常見的三種結(jié)構(gòu)布局是降壓（buck）、升壓（boost）和降壓–升壓（buck-boost），這三種布局都不是相互隔離的。

今天介紹的主角是boost升壓電路，the boost converter（或者叫step-up converter），是一種常見的開關(guān)直流升壓電路，它可以使輸出電壓比輸入電壓高。

下面主要從基本原理、boost電路參數(shù)設(shè)計(jì)、如何給Boost電路加保護(hù)電路三個方面來描述。

Boost電路的基本原理分析

Boost電路是一種開關(guān)直流升壓電路，它能夠使輸出電壓高于輸入電壓。在電子電路設(shè)計(jì)當(dāng)中算是一種較為常見的電路設(shè)計(jì)方式。

首先，你需要了解的基本知識：

電容阻礙電壓變化，通高頻，阻低頻，通交流，阻直流；

電感阻礙電流變化，通低頻，阻高頻，通直流，阻交流；

假定那個開關(guān)（三極管或者M(jìn)OS管）已經(jīng)斷開了很長時間，所有的元件都處于理想狀態(tài)，電容電壓等于輸入電壓。

下面要分充電和放電兩個部分來說明這個電路。

1.充電過程

在充電過程中，開關(guān)閉合（三極管導(dǎo)通），等效電路如上圖，開關(guān)（三極管）處用導(dǎo)線代替。這時，輸入電壓流過電感。二極管防止電容對地放電。由于輸入是直流電，所以電感上的電流以一定的比率線性增加，這個比率跟電感大小有關(guān)。隨著電感電流增加，電感里儲存了一些能量。

2.放電過程

如上圖，這是當(dāng)開關(guān)斷開（三極管截止）時的等效電路。當(dāng)開關(guān)斷開（三極管截止）時，由于電感的電流保持特性，流經(jīng)電感的電流不會馬上變?yōu)?，而是緩慢的由充電完畢時的值變?yōu)?。而原來的電路已斷開，于是電感只能通過新電路放電，即電感開始給電容充電，電容兩端電壓升高，此時電壓已經(jīng)高于輸入電壓了。升壓完畢。

說起來升壓過程就是一個電感的能量傳遞過程。充電時，電感吸收能量，放電時電感放出能量。如果電容量足夠大，那么在輸出端就可以在放電過程中保持一個持續(xù)的電流。如果這個通斷的過程不斷重復(fù)，就可以在電容兩端得到高于輸入電壓的電壓。

Boost電路參數(shù)的設(shè)計(jì)

對于Boost電路，電感電流連續(xù)模式與電感電流非連續(xù)模式有很大的不同，非連續(xù)模式輸出電壓與輸入電壓，電感，負(fù)載電阻，占空比還有開關(guān)頻率都有關(guān)系。而連續(xù)模式輸出電壓的大小只取決于輸入電壓和占空比。

1.輸出濾波電容的選擇

在開關(guān)電源中，輸出電容的作用是存儲能量，維持一個恒定的電壓。

Boost電路的電容選擇主要是控制輸出的紋波在指標(biāo)規(guī)定的范圍內(nèi)。

對于Boost電路，電容的阻抗和輸出電流決定了輸出電壓紋波的大小。

電容的阻抗由三部分組成，即等效串聯(lián)電感（ESL），等效串聯(lián)電阻（ESR）和電容值（C）。

在電感電流連續(xù)模式中，電容的大小取決于輸出電流、開關(guān)頻率和期望的輸出紋波。在MOSFET開通時，輸出濾波電容提供整個負(fù)載電流。

2.電感

在開關(guān)電源中，電感的作用是存儲能量。

電感的作用是維持一個恒定的電流，或者說，是限制電感中電流的變化。

在Boost電路中，選擇合適電感量通常用來限制流過它的紋波電流。

電感的紋波電流正比于輸入電壓和MOSFET開通時間，反比于電感量。電感量的大小決定了連續(xù)模式和非連續(xù)模式的工作點(diǎn)。

除了電感的感量外，選擇電感還應(yīng)注意它最大直流或者峰值電流，和最大的工作頻率。

電感電流超過了其額定電流或者工作頻率超過了其最大工作頻率，都會導(dǎo)致電感飽和及過熱。

3.MOSFET

在小功率的DC/DC變化中，Power MOSFET是最常用的功率開關(guān)。MOSFET的成本比較低，工作頻率比較高。

設(shè)計(jì)中選取MOSFET主要考慮到它的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。

要求MOSFET要有足夠低的導(dǎo)通電阻RDS（ON）和比較低的柵極電荷Qg。

給Boost電路穿上保護(hù)衣

在前面部分，我們從充放電的角度了解了Boost電路以及 Boost電路參數(shù)的設(shè)計(jì)。

Boost電路作為一種非隔離的升壓電路，其結(jié)構(gòu)簡單，容易設(shè)計(jì)，成本低廉，被廣泛應(yīng)用于各種不需要隔離的升壓場合，特別是有源PFC電路中應(yīng)用最為廣泛。

較于BUCK或其他的隔離電路，BOOST電路的保護(hù)似乎更麻煩。

對于一般的保護(hù)電路而言，當(dāng)輸入欠壓，過壓，輸出過流，短路，過壓，過溫度的時候，我們會要求電路會自動關(guān)閉輸出，或?qū)崿F(xiàn)打嗝式的保護(hù)，以利于后面的負(fù)載或電路受到及時的保護(hù)，避免損壞；但對于BOOST電路而言，因升壓電感，輸出整流二極管是串聯(lián)在輸入與輸出的回路中，即使是完全關(guān)閉MOSFET的驅(qū)動，輸出也會有一個比輸入電壓低電感直流壓降跟二極管正向?qū)▔航档碾妷海@也就是說不能完全關(guān)閉輸出，沒有達(dá)到我們想要的保護(hù)效果。

下面有幾種解決方案，可以用來給BOOST電路保護(hù)。

①?可以在輸入端加MOS作關(guān)斷保護(hù)。這個是一種很好的方法，但MOSFET的控制比較復(fù)雜，而且需要高電壓大電流的MOSFET，這樣會增大系統(tǒng)的成本，而且會降低可靠性。其結(jié)果是輸入端的電壓相對低些，而且加在輸入端更方便實(shí)現(xiàn)軟啟動，減小對MOS的沖擊。但是由于輸出端電流更小，加在輸出端MOS功耗更小一點(diǎn)。

②?對類似產(chǎn)品，日本有要求輸出端必須有保險裝置，通常是加可恢復(fù)保險絲?？苫謴?fù)的保險絲說白了就是PTC，不適合大功率場合，而且會產(chǎn)生大量的損耗，把保險裝置加在輸出端比加在輸入端損耗相對小些，而且這種方式成本更低，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。

③?可以用在母線上串接繼電器的方式，在關(guān)掉MOS的同時，同步切斷繼電器，使得主回路斷開就可以切斷電流回路，進(jìn)一步保護(hù)二極管。繼電器是一個常見的保護(hù)方法，但也有壽命短，且在開關(guān)動作時容易打火等缺點(diǎn)。

④?如果不考慮成本和復(fù)雜性的話，完美的保護(hù)電路一定可以做的出來！但實(shí)際上，輸出短路是個例，為這個“意外”花過多的成本非常不值得。

圖注：第四種方案的電路設(shè)計(jì)圖

1、Vin端的Fuse必須要有，防止MOS擊穿造成安全隱患。

2、輸出短路時，受大電流沖擊的脆弱部件需要加強(qiáng)（圖中的Rsense )。

3、BOOST輸出電流通常遠(yuǎn)小于輸入電流，更遠(yuǎn)遠(yuǎn)的小于短路時的大電流，因此使用PPTC（自恢復(fù)保險絲）是可行的。PPTC動作電流可取輸出電流的2~3倍，正常時，PPTC損耗非常小。

4、Boost使能腳EN電壓由輸出取，一但短路后，EN=0V（電壓降在PPTC上），IC立即停止工作，輸出電壓降低到約等于輸入電壓，可以減小短路保護(hù)后的功耗，同時也降低PPTC兩端的電壓，來降低PPTC的功耗。

5、當(dāng)輸出短路排除后，由于PPTC的存在，EN重新得電,IC啟動，BOOST重新工作。

目前很少人關(guān)注這一塊，即使是目前各大廠商推出的PFC電路，只要后級一短路，后果都可想而知。保護(hù)最安全的方法是切斷輸入，目前的開關(guān)器件有三極管，MOSFET，IGBT，繼電器，接觸器等，不同的開關(guān)器件有不同的優(yōu)缺點(diǎn)。

END

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