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如何通过升压转换阶段保护电源和负载?

  选择像MOSFET这样的主动限制装置需要一个励磁涌流限制控制器的控制电路,它也被称为热插拔控制器或电子熔丝。这是一个位于升压控制器之前的附加集成电路 (IC),很多此类的控制器(图3)特有包含电流和电压环路的可编程涌入限制,旨在确保MOSFET保持在安全工组区 (SOA) 内的同时,控制涌入率。SOA用于监视维持关键保护器件的长期可靠性。此外,涌入控制器会具有两个电流阀值:一个用于规范涌入限制,第二个是在严重过流情况下用于完成断路器功能。这种方式的一个明显优势就是你能够实现它的先进保护特性;然而,通常来说,这个解决方案的成本和复杂度要高于无源方法。

  第三个保护选项是一个具有集成涌入限制控制的升压控制器。这个方法仍然需要将一个附加的MOSFET用作保护器件,因为升压的高端元件(一个续流二极管或同步MOSFET)无法反向。然而,如图4所示,与热插拔控制器方法相比,将升压和保护控制集成在一个IC中有助于降低解决方案复杂度和尺寸,同时也提供了很多其它保护特性。

  为最坏的情况选择MOSFET

  为确保实现稳健耐用的解决方案,任何的限制方法都需要缜密的设计,对于功率耗散器件更是如此。当使用一个MOSFET时,一定要注意器件的安全工作区,设定电流是其中一个需要考虑的参数。在进行MOSFET选型时,需要考虑切断电压(漏/源电压)的峰值,以及它将处于极端组合条件下的时间长度。

  根据系统设计需要,通过计算保护器件在涌入、输出短路和突然电路断开情况下,在保护器件上出现的峰值能量,下面的方程式将有助于选择一个具有足够雪崩能量额定值的MOSFET。

  针对涌入考虑的充电能量为:

  在这里

  EINRUSH = 以焦耳 (J) 为单位的输出电容器充电能量。

  COUT = 以法拉 (F) 为单位的最大输出电容值。

  VINMAX = 以伏特 (V) 为单位的最大输入电源电压。

  虽然在最差的情况下输出电容器充电电流与出现短路时的情况相类似,MOSFET真正的短路故障情况的要求会更加严格。MOSFET能够耐受的短路能量取决于:

  在这里:

  ESHORT = 以焦耳 (J) 为单位的短路保护能量。

  IINRUSH(TH) = 以安培 (A) 为单位的励磁涌流限制阀值。

  tDELAY = 以秒 (s) 为单位的延迟时间。

  所选保护控制器也许具有一个故障安全断路器的电流阀,从而触发瞬时输入断开。断路器的能量计算与短路情况下相类似,不过,保护控制器会设定一个不同的电流阀值。MOSFET上有可能出现的最差情况能量由控制器的响应或延迟时间计算得出。

  在这里:

  ECIRCUIT_BREAKER = 以焦耳 (J) 为单位的断路器保护能量

  ICIRCUIT_BREAKER(TH) = 以安培 (A) 为单位的断路器阀值电流

  需牢记的一点是,虽然将MOSFET用于保护功能可实现对涌入或故障情况的快速响应,但是你应该在MOSFET的输出端上执行一个适当的电压缓冲,以确保用于保护功能的器件不会使下游电路出现问题。在升压电路中,保护器件之后出现的第一个直插式组件是原边电感器。续流二极管可以管理保护MOSFET与电感器之间的任何电压振铃,它只有在保护开关迅速关闭时才会导电,特别是在断路器位于电感器左侧时(图5)。

  其它保护特性

  在选择一个保护控制器时,你也许还需要考虑另外一个特性,那就是重试定时器,也被称为打嗝模式。如果设备经历了一个间断过流故障能够自动重试,且无需整个系统重新启动的话,这对于整个系统是有好处的。该模式能使保护控制器打开MOSFET,并且在特定的时间长度内等待故障被消除,然后通过初始化涌入控制序列来重试。如果故障仍然存在,控制器也许会无限次的重试,或者在特定的重试次数后锁存。

  将一个MOSFET用作保护器件的第二个优点就是可以实现简单的输入过压保护电路 (/)。通过将一个合适的齐纳二极管连接至MOSFET的栅极,FET的栅源电压受到二极管的钳制后,会使得MOSFET在源极电压增加时被拉回至欧姆运行方式。这个二极管的击穿电压设定了有效的输出电压钳位值。当MOSFET在欧姆区域内运行时会作为一个线性稳压器,不过有一点需要注意,那就是最大允许钳制时间将受到MOSFET属性的限制。

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