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SCT12A1输出短路保护设计

发布时间:2021-12-29
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1 升压转换器不可避免的直流通路及其在应用中影响

开关型升压转换器电路(Figure 1)包括开关管Q1, 续流管Q2,储能器件电感L,输出电容Cout。在一个开关周期里,当开关管Q1闭合的时候,续流管Q2关断,输出电容Cout存储的电荷与前级电感L和开关管Q1断开,对后级电路放电。电感L, 开关管Q1形成独立回路。电源对电感充电,电感L储能。开关管Q1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Q2导通,此时,电感和电源的极性一致,给输出电容充电。


图 1.  BOOST基本结构

BOOST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,存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。在使用升压型转换器的终端设备中,负载的未完全断开会增加整个系统关机状态下的功耗。对于电池供电的移动设备,关机状态下的功耗会降低一次充电下电池的续航时间。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,进而损坏转换器和输出端负载。

2 SCT12A1的输出短路保护原理(2138cn太阳集团古天乐发明专利)

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。如Figure 2所示,在转换器输出和负载端之间插入PMOSFET来断开负载并提供输出端短路保护。PMOSFET的源极连接到SCT12A1VOUT引脚。VOUT引脚端需要输出电容以维持控制回路的稳定性。连接ENPGATEZ引脚到地,启用SCT12A1负载断开保护功能。连接到栅极Q3PGATE具有恒定抽电流能力和上拉能力。SCT12A1启动时,内部电路控制P沟道MOSFET软启动以减小启动时浪涌输入电流。当外部PMOSFET栅极源极电压差低于阈值电压,Q3打开,负载连接到VOUT引脚。P沟道MOSFET完全打开时,栅源钳位电压是8V

Figure 2所示,SCT12A1在内部上管Q2导通时,通过检测流过Q2电流来判断是否负载电流过流或者输出对地短路。当上管Q2检测到电流过流,SS引脚对地放电,外部的P沟道MOSFET立即关断。负载与VOUT输出完全断开。当上管Q2关断,SCT12A1比较VINVOUT压差,如果输出电压低于输入电压1VSCT12A1切断外部Q3,立即断开负载。

图 2. 负载断开控制以及输出短路保护原理图

当检测到输出对地短路时,SCT12A1通过打嗝工作模式最大限度地降低功耗。例如,当内部Q2的过电流触发负载断开保护,SS引脚复位,升压转换器停止工作。当SS引脚再次充电达到1.2V,转换器恢复正常开关,并开通Q3。当故障消除后, SCT12A1自动恢复正常工作。SCT12A1的打嗝保护,并提供可变的打嗝时间。用户可以通过外部引脚SS电容进行调节,详细设置将在下一节介绍。

当负载电容C5B >> C5A, 并带载启动的极端应用情况下,SCT12A1在启动时可能会触发过流保护,需要适当加大C5A容值来正常启动系统。

3 外围电路设计

3.1 SS管脚电容选择,设置打嗝时间

SCT12A1短路保护的打嗝时间可以通过调节SS引脚与地之间电容容值进行调整。当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,打嗝工作时序如Figure 3所示。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


图 3. 输出短路保护,打嗝工作模式时序

3.2 外部PMOSFET选择

P型MOSFET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 4. 短路时P型MOSFET两端电气特性


输出短路保护时,BOOST输出端在Q3导通时候可以直接等效VDS=VOUT。外置Q3的安全工作区(SOA)需要谨慎遵守。短路保护过程中,产生的热可以参照(2)计算: 


QFET=12×VOUT×ISHORT×tSHORT                              (2)


例如,VOUT=12V, ISHORT=15A,tSHORT=60us。短路过程产生的热为5.4mJ。选择外置PMOSFET时候,需要留出足够的裕量,以保证Q3在短路事件中不会被毁坏。接着上面假设的应用条件,Q3选择应该需要满足这样的要求:

VDS≥12V,IDS_DC≥15A,SOA>5.4 mJ



Table 1. 外部PMOSFET选择示例



产品型号

描述

厂商

FDMC612PZ

P-Channel MOSFET, -20V, -14A, 8.4mΩ

Fairchild

CSD25404Q3

P-Channel MOSFET, -20V,  5.5mΩ

Texas Instruments

图 5. FDMC612PZ SOA


图 6. CSD25404Q3 SOA

4 SCT12A1输出短路保护波形


图 8. 输出短路保护,VIN=3.6V, VOUT=9V, IOUT=0A

图 9. 输出短路保护,VIN=3.6V, VOUT=9V, IOUT=3A

5 引用

1.  SCT12A1 产品规格书

2.  FDMC612PZ 产品规格书

3.  CSD25404Q3 产品规格书1

4.  发明专利,“一种保护电路及方法”专利号:ZL 2016 1 1131 821.4