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SCT12A1 在输出硬短路下的负载断开保护功能介绍

发布时间:2017-11-24 作者:Silicon Content 阅读人数:3036


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SCT12A1负载断开功能(芯洲专利设计)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


参考设计文献:

SCT12A1硬短路(Hard Short)保护  

SCT12A1产品介绍

SCT12A0产品介绍


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