异步Boost升压电路的短路保护如何设计？

Boost电路应用于低电压升高电压的场合，目前DC-DC主流的Boost电路都是异步升压，同步Boost升压芯片较少。异步Boost芯片电路设计相对简单成本也较低廉，广泛应用于手持终端设备、玩具、LED照明、DVB等。在异步Boost芯片广泛应用的同时，有个令人担忧的隐患，输出端短路后可能造成设备损坏或引发事故。基于此，经常有工程师咨询异步Boost升压电路如何做短路保护设计?关于升压Boost短路保护问题，大家可以踊跃去论坛发帖，欢迎广大对此感兴趣的工程师参与交流讨论！

某品牌DVB应用BOOST升压芯片12V to 13V/18V，工作电流最大不超过500mA。用的芯片是AP2008，这是一款异步PWM控制升压芯片，开关频率1MHz，开关管限流值2A，开关管RDSON典型值200mΩ，基准电压0.6V，输入工作电压范围3V~25V，输出最高电压可达25V。你瞧，这问题就来了：短路后BOOST芯片会保护吗？而且一浪更比一浪强：短路会损坏电路板上其它任何元件吗?像这样的问题同样困扰到你了吗？别担心马上给你答复，上图：

原理图

图为简化的应用电路，为了分析方便，只讨论12v-18v的部分电路，典型的异步BOOST升压电路。

在回答问题之前，我们先得弄清楚输出端短路后会发生什么?假设1，12V供电电源是理想电源，二极管D1恒压降为1V，芯片内部NMOS导通压降为1V，L1为纯电感，短路时刻初始电流为IL0。

短路后电感电流的瞬态方程

其中vin=12V，L1=10μm，IL0为短路时刻前初始电流，短路后电感两端压降始终为Vin-1V。AP2008开关频率f=1MHZ，则开关周期T=1μS，一个开关周期时间，电感电流IL(1L)=1.1A+1L0，依次计算1L(2T)=2.2A+1L0，1L(3T)=3.3A+1L0，···，1L(10T)=11A+1L0短路后1T-10T这段时间，电感始终都在储能，电感电流快速线性上升，在10T后就能达到至少11A的电流。短短10μS电流上升到11A，很难想象电感、二极管、IC谁先悲剧吧?假设NMOS导通压降1V是方便列写电感电流的暂态方程，为了分析真是的短路过程，现在我们回到VDS=id*Rdson。集中精力来一起分析：短路后，FB检测到0V电压，IC会以最大导通占空比的方式试图达到18V。在电感电流上升到2A之前，IC内部NMOS最大导通压降VDS=2A*0.2Ω=0.4V较二极管D1的导通压降低，IC内部NMOS导通占空比90%，二极管导通占空比只有10%，因此IC承受的电流应力比二极管D1要大。经过约2T的时间电感电流上升到2A，电感饱和，芯片限流也开始起作用，转折点出现。众所周知电感随着电流的磁芯会饱和，此应用电路电感饱和和电流选型2A是非常合理的，约2T后电感电流上升到至少2.2A，电感磁芯趋于饱和，电感电流由线性转变为指数增加，急速上升的电感电流就像泄堤的水流，IC内部限流动作跟不上，泄堤的电感电流会贯穿NMOS，IC限流在延迟一段时间后才会检测到过流信号，从而关断NMOS，NMOS关断后电感电流完全流过二极管D1。这里有个前提和细节需要说明下：a.电感的线径满足2A规格，饱和后不会率先烧断铜丝。b.当电感电流达到2A以上时，VDS>0.4V，NMOS导通时二极管也会导通起到分流作用，IC限流检测虽然有延迟，但该延迟时间远小于T*10%，NMOS关断后不会有电流流过，而二极管是一直流过电感电流的。2T后电感电流急剧增加，二极管承受电流应力远大于IC，因此二极管会先损坏。二极管损坏烧断，电感产生反向感应电动势将IC高压击穿！

电路图

假设2，12V电源供电能力不强，实际的电源都会有最大带载能力和短路保护功能。当输出短路后，电感电流持续增加，当增加到过载电流后，电源会进入保护模式。过载或短路的电流依然较大，至于电感、二极管、IC会不会坏。取决于电感的线径、二极管耐电流冲击能力，如果二极管烧断和假设1的结论一样，如果是电感烧断，IC和二极管都不会坏。

分析了短路后发生的一系列连锁反应，可以看出异步升压电路在短路后是有风险的。那么我们该如何做保护设计呢？

下面我们先来看一个保护电路，大家可以看看该电路能否起到短路保护的作用？

上图的电路很明显是不能作为短路保护来应用的，这只是一个过流或限流保护电路。最终输出端电流被限定在设定值，而MOS管会承受几乎全部的压降，极大的功耗Imax*Vdd，易将MOS烧坏。

从这个例子可以看出，短路保护不能等同限流保护，所以我们必须重新思考。短路保护的基本要求：1.短路响应速度要快，及时保护器件不被烧毁。2.短路后的功耗要很低或完全关断输出。3.短路故障解除后要能恢复。基于这三个要求，设计出的短路保护电路才是实用的。按短路保护的方式可分为三大类：1.短路电流折回保护方式；2.打嗝保护(开关波重复开启)；3.短路自锁关断输出。前两种方式的短路功耗较大，常用于要求短路解除后能自恢复的电路中，像BUCK芯片一般都有降频打嗝模式的短路保护，这类保护电路设计较复杂些，需要用运放、比较器或555定时器等。下面我们来看下第三种保护模式——短路自锁关断输出。

一种简单自锁短路保护电路

自动复位开关可以用单片机的I/O口控制或机械轻触开关控制，上电后先给自动复位开关置高电平，Q102导通，Q101导通，AP2008升压工作，输出电压建立18V，通过Z101、D101、R103维持Q102导通，此时把自动复位开关置低电平。这样一个自成反馈的升压电路可以稳定的运行，当短路发生后，输出电压为0V，Q102关断，Q101关断，输出电压为0，短路电流为0，形成自锁状态。当短路故障解除后，需要再次开启自动复位开关，等输出电压建立后再将自动复位开关关断。

总的来说，电路没有必要太花哨，保护电路都是用纯硬件实现的，在短路故障发生后，其中一个开关会被立即关断锁死；短路故障解除也很简单，输入端重新上电即可。