開(kāi)關(guān)電源|Boost電路加保護電路方案-KIA MOS管
信息來(lái)源:本站 日期:2021-10-27
開(kāi)關(guān)電源最常見(jiàn)的三種結構布局是降壓(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(jiàn)的開(kāi)關(guān)直流升壓電路,它可以使輸出電壓比輸入電壓高。
Boost電路是一種開(kāi)關(guān)直流升壓電路,它能夠使輸出電壓高于輸入電壓。在電子電路設計當中算是一種較為常見(jiàn)的電路設計方式。
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(gè)開(kāi)關(guān)(三極管或者M(jìn)OS管)已經(jīng)斷開(kāi)了很長(cháng)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(guò)程:
在充電過(guò)程中,開(kāi)關(guān)閉合(三極管導通),等效電路如上圖,開(kāi)關(guān)(三極管)處用導線(xiàn)代替。這時(shí),輸入電壓流過(guò)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(xiàn)性增加,這個(gè)比率跟電感大小有關(guān)。隨著(zhù)電感電流增加,電感里儲存了一些能量。
放電過(guò)程:
如上圖,這是當開(kāi)關(guān)斷開(kāi)(三極管截止)時(shí)的等效電路。當開(kāi)關(guān)斷開(kāi)(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)?,而是緩慢的由充電完畢時(shí)的值變?yōu)?。
而原來(lái)的電路已斷開(kāi),于是電感只能通過(guò)新電路放電,即電感開(kāi)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(guò)程就是一個(gè)電感的能量傳遞過(guò)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(guò)程中保持一個(gè)持續的電流。
如果這個(gè)通斷的過(guò)程不斷重復,就可以在電容兩端得到高于輸入電壓的電壓。
給Boost電路加保護電路
Boost電路作為一種非隔離的升壓電路,其結構簡(jiǎn)單,容易設計,成本低廉,被廣泛應用于各種不需要隔離的升壓場(chǎng)合,特別是有源PFC電路中應用最為廣泛。
較于BUCK或其他的隔離電路,BOOST電路的保護似乎更麻煩。
對于一般的保護電路而言,當輸入欠壓,過(guò)壓,輸出過(guò)流,短路,過(guò)壓,過(guò)溫度的時(shí)候,我們會(huì )要求電路會(huì )自動(dòng)關(guān)閉輸出,或實(shí)現打嗝式的保護,以利于后面的負載或電路受到及時(shí)的保護,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導通壓降的電壓,這也就是說(shuō)不能完全關(guān)閉輸出,沒(méi)有達到我們想要的保護效果。
下面有幾種解決方案,可以用來(lái)給BOOST電路保護。
① 可以在輸入端加MOS作關(guān)斷保護。這個(gè)是一種很好的方法,但MOSFET的控制比較復雜,而且需要高電壓大電流的MOSFET,這樣會(huì )增大系統的成本,而且會(huì )降低可靠性。
其結果是輸入端的電壓相對低些,而且加在輸入端更方便實(shí)現軟啟動(dòng),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(lèi)似產(chǎn)品,日本有要求輸出端必須有保險裝置,通常是加可恢復保險絲。
可恢復的保險絲說(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)濟實(shí)惠。
③ 可以用在母線(xiàn)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(kāi)就可以切斷電流回路,進(jìn)一步保護二極管。繼電器是一個(gè)常見(jiàn)的保護方法,但也有壽命短,且在開(kāi)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雜性的話(huà),完美的保護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(guò)多的成本非常不值得。
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(圖中的Rsense )。
3、BOOST輸出電流通常遠小于輸入電流,更遠遠的小于短路時(shí)的大電流,因此使用PPTC(自恢復保險絲)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。
目前比較少人關(guān)注這一塊,即使是目前各大廠(chǎng)商推出的PFC電路,只要后級一短路,后果都可想而知。保護最安全的方法是切斷輸入,目前的開(kāi)關(guān)器件有三極管,MOSFET,IGBT,繼電器,接觸器等,不同的開(kāi)關(guān)器件有不同的優(yōu)缺點(diǎn)。
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