一种DC／DC转换器的短路保护电路设计

摘要 针对负载短路会对DC／DC造成性能不稳定或损坏的情况，提出一种新型短路保护电路，有效地避免了传统电路在短路时大电流输出造成的能量浪费。该保护电路采用在负载短接时，通过改变电流限比较器输入端基准电压达到降低电路最大输出电流的措施。采用0．35μm BCD工艺将该电路应用于一款高压同步BUCK型DC／DC转换器中，specter仿真结果表明，当负载短路时，该芯片的短路电流只有30 mA，与传统保护电路相比，降低了短路时的输出电流，达到节约能量的目的。
关键词 DC／DC；短路保护；电感电流最大值

DC／DC转换器因其体积小、重量轻、效率高、性能稳定等优点得到了广泛的应用。随着单片集成技术的发展，开关变换器在精度和性能上的要求不断提高。而DC／DC变换器作为系统内部能量使用者和外部能量提供者的接口器件，其性能和可靠性直接关系到系统的安全。作为功率处理器件，DC／DC变换器一直是系统可靠性设计的薄弱环节，其中过流和短路是实际工作中常见的两种异常工作模式。当DC／DC变换器工作在过流或短路状态时，若不能及时正确处理，不仅会加速元件老化，甚至会导致DC／DC变换器自身损坏，使整个系统陷于瘫痪，严重时还会引起触电、火灾等安全事故。因此，完善的短路保护设计是高可靠DC／DC变换器的基本要求。
DC／DC变换器是一个负反馈系统，它通过输出电压VOUT进行得到的采样信号FB与基准电压VREF1进行误差信号，EA的输出电压COMP与通过电流采样的电压进行比较输出占空比可变的脉冲信号，来控制功率通道的导通时间，实现输出稳压。当VOUT较大时，通过减小占空比达到减小功率管MP的导通时间；反之，通过增大占空比达到增大功率管MP的导通时间。
当DC／DC变换器工作在短路状态时，输出电压为零，输出电压的采样电路无法正常工作，导致放大电路无法工作而使系统回路断开，DC／DC变换器处于失控状态。对于峰值电流型控制，由于电流反馈环路的作用，保持电路工作在一个固定占空比，占空比的大小取决于EA输出电压的高嵌位电压设计。但是，受电路中各种条件和因素的制约，难以将占空比控制到最小值达到降低短路时芯片的功耗。在输出短路时，每个开关周期功率管导通阻抗在大电流时产生大量的热，并全部消耗在DC／DC变换器内部。若无短路保护措施，在短时间内，输入电流变大，使DC／DC变换器的电流环路也工作在过载状态，会因芯片过热而影响其寿命；严重时造成DC／DC变换器输入损坏。短路保护的主要目的是降低短路时的功耗。理想的保护方式是在发生短路时关断功率通路，使DC／DC变换器不再损耗能量，但在故障消失时自动恢复正常。评价短路保护的优劣主要看短路时功耗的大小和短路释放时能否及时恢复到正常的工作状态。短路时电路的功耗越小，短路释放时恢复到正常的工作状态电路所需的时间越短，电路的可靠性越高。

1 传统保护电路设计
由于过流和短路在原因和现象上的相似性，具备过流保护功能的电路也具备一定的短路保护功能。当输出电流过大时通常采用过载保护电路将输出电流控制在某一最大值，确保电路不会因为输出电流过大而损坏芯片。

图1中虚线中的电路为过流保护和短路保护放在一起的框架图。当输出短接到地时，此时采样电压FB为0，误差放大器不能正常工作，其输出COMP端电压为高电平，若没有短路保护电路，系统则以大电流输出，直至烧坏整个芯片。传统保护电路如图1所示，当输出短路时，通过电流采样电路将输出电感电流进行采样转化成采样电压Vsense，与基准VREF2进行比较，当Vsense大于VREF2时，关断功率管MP。其Vsense与IL的关系

此时的电感电流较大，超过正常工作时的最大输出电流，会因短路功耗大而缩短承受短路的时间，从而影响产品及系统的可靠性。因此，对过流和短路有针对性地分别设计保护电路，有利于提高产品的可靠性。

2 新型短路保护电路
图2为新型含有短路保护电路的DC／DC变换器的整体框架图。图2中虚线部分的电路包含短路保护和过流保护两种功能，该电路实现了将短路和过载两种异常状态分开处理。