如何給Boost電路加保護(hù)電路?
發(fā)布時(shí)間:2021-01-12 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】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。
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(gè)方面來(lái)描述。
01 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(shí):
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(gè)開關(guān)(三極管或者 MOS 管)已經(jīng)斷開了很長(zhǎng)時(shí)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(gè)部分來(lái)說(shuō)明這個(gè)電路。
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(shí),輸入電壓流過電感。二極管防止電容對(duì)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(gè)比率跟電感大小有關(guān)。隨著電感電流增加,電感里儲(chǔ)存了一些能量。
放電過程:
如上圖,這是當(dāng)開關(guān)斷開(三極管截止)時(shí)的等效電路。當(dāng)開關(guān)斷開(三極管截止)時(shí),由于電感的電流保持特性,流經(jīng)電感的電流不會(huì)馬上變?yōu)?0,而是緩慢的由充電完畢時(shí)的值變?yōu)?0。而原來(lái)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(shí)電壓已經(jīng)高于輸入電壓了。升壓完畢。
說(shuō)起來(lái)升壓過程就是一個(gè)電感的能量傳遞過程。充電時(shí),電感吸收能量,放電時(shí)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(gè)持續(xù)的電流。如果這個(gè)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。
02 Boost 電路參數(shù)的設(shè)計(jì)
對(duì)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。
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(chǔ)能量,維持一個(gè)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(duì)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(shí),輸出濾波電容提供整個(gè)負(fù)載電流。
電感:
在開關(guān)電源中,電感的作用是存儲(chǔ)能量。
電感的作用是維持一個(gè)恒定的電流,或者說(shuō),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(lái)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(shí)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(huì)導(dǎo)致電感飽和及過熱。
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。
03 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(jiǎn)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(chǎng)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(duì)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(shí)候,我們會(huì)要求電路會(huì)自動(dòng)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(shí)的保護(hù),避免損壞;但對(duì)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(dòng),輸出也會(huì)有一個(gè)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(shuō)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(lái)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(gè)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(huì)增大系統(tǒng)的成本,而且會(huì)降低可靠性。其結(jié)果是輸入端的電壓相對(duì)低些,而且加在輸入端更方便實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng),減小對(duì) 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(duì)類似產(chǎn)品,日本有要求輸出端必須有保險(xiǎn)裝置,通常是加可恢復(fù)保險(xiǎn)絲??苫謴?fù)的保險(xiǎn)絲說(shuō)白了就是 PTC,不適合大功率場(chǎng)合,而且會(huì)產(chǎn)生大量的損耗,把保險(xiǎn)裝置加在輸出端比加在輸入端損耗相對(duì)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(shí),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(gè)常見的保護(hù)方法,但也有壽命短,且在開關(guān)動(dòng)作時(shí)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(lái)!但實(shí)際上,輸出短路是個(gè)例,為這個(gè)“意外”花過多的成本非常不值得。
圖片圖注: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(shí),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(shí)的大電流,因此使用 PPTC(自恢復(fù)保險(xiǎn)絲)是可行的。PPTC 動(dòng)作電流可取輸出電流的 2~3 倍,正常時(shí),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(shí)也降低 PPTC 兩端的電壓,來(lái)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(dòng),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(jí)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)。
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