DC-DC｜基礎篇

升壓電源負載短路引發的問題及其保護電路 升壓電源負載短路時的過電流引發的問題

2025.10.15

重點

・當二極體整流方式升壓型DC-DC轉換器輸出短路時，電流路徑為VIN→電感→二極體→VOUT，限流功能可能會不起作用，最終導致燒損。

・採用將FET用於高側開關的同步整流方式時也存在問題：FET有寄生二極體，由於有經由寄生二極體的電流路徑而無法切斷電流。

・對於內建高側開關的電源IC而言，可以在FET的背閘添加開關，透過切斷經由寄生二極體的電流路徑，來實現輸出短路保護功能。

・即使在短路導致的過電流狀態下，低側開關也會反復接通而無法檢測到過電流，這可能會使低側開關因損害累積而最終損壞。

目錄

首先，我們來瞭解一下“升壓電源負載短路時的過電流引發的問題”。

關於升壓電源的輸出短路引發的問題，作為示例我們在這裡探討“二極體整流方式的輸出短路”、“同步整流方式的輸出短路”、“背閘控制”、“低側開關的限流工作”。

二極體整流方式的輸出短路

對於降壓型DC-DC轉換器而言，當發生輸出過負載或短路時，大多數電源IC的限流電路會啟動，可以防止電源IC損壞。而大多數升壓型轉換器，在流過超過額定電流的負載電流或輸出短路時都會發生問題。當負載電流超過額定電流時，輸出電壓將無法維持並且會開始下降。此時低側開關試圖透過使電流增加至低側開關的限流值來恢復下降的輸出電壓。但是如果負載電流因限流功能而超出最大輸出電流，那麼將會變為恒定輸入功率狀態，輸出電壓會逐漸下降。而且當負載阻抗降低，輸出電壓VVOUT低於輸入電壓VIN減去整流二極體VF後的電壓時，就會形成從電源直接透過電感和整流二極體的電流路徑。在這種狀態下低側開關的限流功能會失效，並且會流過輸入輸出電壓差÷電阻（主要是電感的直流電阻DCR）得到的電流。當負載阻抗進一步下降，並達到短路狀態VOUT = 0V時，短路電流ISHORT為ISHORT = (VIN–VF)÷DCR，增加至數十安培，遠遠超過額定電流，這可能會導致電感和整流二極體被燒損。

二極體整流方式的輸出短路

同步整流方式的輸出短路

在高側開關為使用FET的同步整流方式的情況下，當檢測到過電流時，最好能關閉FET開關以切斷電流。然而即使關閉了FET，由於FET存在源極和汲極之間的PN結構成的寄生二極體，因此即使FET處於關閉狀態，也會形成經由電感到FET的寄生二極體的電流路徑，無法阻止電流流過。所以無法透過電源IC的控制來控制短路電流，高側開關FET也可能會受損。

同步整流方式的輸出短路

背閘控制

當高側開關為外接FET時，由於是垂直結構，因此一定會存在寄生二極體，從而無法防止寄生二極體形成的電流路徑。但是如果是電源IC中內置了FET開關元件的產品，所使用的FET為橫向結構，因此可以透過對FET的背閘部分施加偏壓，來消除寄生二極體的影響。也有一些產品透過在該偏置電路中添加開關來實現背閘極控制，進而可以在必要時切斷寄生二極體的電流。在這種情況下當檢測到輸出短路時，將會使寄生二極體處於不導通狀態，從而可以防止燒損問題。

背閘控制

同步整流會設有死區時間，在此期間低側開關和高側開關都會關斷，以防止低側開關和高側開關同時導通而發生輸出短路問題。但當兩個開關都關斷時，電感輸出側會變為開路狀態，由於反電動勢的作用，會產生非常高的電壓。為了防止這種高電壓的產生，可以有效利用FET的寄生二極體，在死區時間內進行二極體整流，對於該整流工作來說，整流FET的寄生二極體是必需的。因此在正常工作時，需要背閘的開/關控制，以使寄生二極體處於導通狀態。另外如果在檢測到過電流狀態的時間點，FET和背閘同時高速關斷，則電感會在有電流流過的狀態下輸出變為開路狀態。當電感開路時，由於反電動勢的作用會產生高電壓，這種高電壓可能會超過低側開關的耐壓能力，導致低側開關因過電壓損壞。即使寄生二極體關斷，整流FET也需要進行在線性區域工作來控制電流、消耗電感的能量後關斷等控制。

低側開關的限流工作

當由於輸出短路而流過過大電流時，輸出電壓會低於設定電壓，因此負反饋控制系統會嘗試透過打開低側開關來增加能量，以提高輸出電壓。低側開關具有限流功能，也就是可以透過檢測流過開關的電流、當達到設定電流時關斷開關來控制開關電流。然而由於低側開關未導通的狀態下沒有電流流過，因此無法檢測到輸出短路導致的明顯過電流狀態。但是低側開關會透過下一個時鐘的開通訊號來開通開關。由於電感已經流過超過限流值的大電流，雖然在低側開關導通後會立即檢測到明顯的過電流情況，並會在最短時間內關斷低側開關，但儘管時間很短，還是會流過脈衝狀的過大電流。

低側開關的限流工作

高達最大額定值數倍的脈衝狀大電流會以每秒的開關頻率次數反復流過，大電流造成的損害累積最終會導致低側開關也會損壞。也就是說要想防止問題擴大，除了低側開關的限流功能外，還需要其他的保護功能。

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本資料以降壓型開關穩壓器為主題，不僅涵蓋了其工作原理及功能等基礎知識，還一併說明了與線性穩壓器的比較、同步整流與二極體整流、控制方式、輔助功能等。

升壓電源負載短路時的過電流引發的問題
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