SCT12A1 在输出硬短路下的负载断开保护功能介绍

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产品介绍

SCT12A0产品介绍