DC-DC｜基礎篇
升壓電源負載短路引發的問題及其保護電路 升壓電源的輸出短路保護電路
2025.10.15
重點
・計時器鎖存式保護可以保護電源IC本身免受短路影響，但對電感和外接高側開關無效。
・最簡單的短路保護是在輸入端安裝保險絲，但無法自動恢復。
・透過半導體開關切斷過電流的方式，可以重新開機，但需要複雜的開關控制，而且很難透過外部電路實現。
・在電源電路的外側輸入或輸出端連接具有限流功能的負載開關，是最簡單的可重啟的短路保護方式。
本文我們將探討第二個主題“升壓電源的輸出短路保護電路”。
作為升壓電源輸出短路的保護示例，有“計時器鎖存式短路保護”、“增加短路保護電路”、“使用半導體開關組成的過電流保護電路”、“連接具有限流功能的負載開關”四種方法。
計時器鎖存式短路保護
升壓型DC-DC轉換器當VOUT低於VIN並接近0V時，電感和整流二極體會有過大電流流過。如果低側開關在這種狀態下導通，就會流過超過最大額定值的電流，從而可能導致低側開關燒損。為了防止這種問題的發生，有一些產品配備了計時器鎖存式短路保護功能。當該計時器鎖存式短路保護電路檢測到輸出電壓顯著下降時，會判斷發生了短路而啟動計時器，並在一定時間內停止開關工作。透過設開關間隔，可為過電流導致的發熱量提供冷卻時間，從而防止損害累積，並防止低側開關因過熱而燒損。
*也有些產品沒有計時器，只是用鎖存器來停止開關工作，需要手動操作才能重新開機。
但這種產品無法阻止不受限制的電流流過電感和整流二極體，因此無法防止這些產品被燒損。鎖存器雖然起到了對電源IC本身的保護作用，但並不能保護電源電路。不過該功能在發生電源燒損事故時，有助用來判斷是電源IC導致的燒損還是負載短路的過電流造成的燒損。
增加短路保護電路
採用沒有二極體整流或背閘控制功能的FET進行同步整流時，無法防止短路引發的過電流。要想防止燒損事故的發生，需要增加某種外部電路來切斷電流路徑。最簡單的方法是添加保險絲，在發生過電流時切斷電流路徑。但是需要注意安裝保險絲的位置。短路時產生的電流變化量，輸出端要比輸入端的大，因此從保險絲的額定電流和切實可靠的熔斷方面來看，將保險絲安裝在輸出端更可靠。然而，如果在輸出端使用保險絲，在短路引發的過大電流流過之後，輸出會變為無負載，流過的電流會對輸出電容充電，電壓會迅速上升。雖然電壓上升多高取決於電感中存儲的能量和輸出電容的容量，但在最壞的情況下，可能會超過升壓轉換器低側開關的耐壓能力，導致低側開關因過電壓損壞。
要能確實可靠地保護電路，是透過在輸入端連接保險絲來切斷電源。由於電源被切斷，所以多餘的能量會被短路負載消耗掉。使用保險絲保護電路是可靠且最廉價的方法，可以防止負載短路引起的燒損以及著火、冒煙等二次損害。但短路屬於暫時性故障，使用保險絲保護電路時，即使從短路狀態中恢復，電源也被切斷了，無法自動恢復，需要更換保險絲等維護工作。
使用半導體開關組成的過電流保護電路
如果需要短路保護和自動恢復，則需要使用由半導體開關進行關斷和恢復的過電流保護電路。在這種情況下，與上面提到的保險絲一樣，需要考慮將其安裝到輸入端還是輸出端。如果是FET開關，可以透過使兩個寄生二極體相互反向的連接方式—Back to Back連接來切斷經由寄生二極體的電流路徑。但是採用這種連接方式時，由於死區時間內的寄生二極體失去了二極體整流功能，在因過電流而關斷時，電感的輸出端將開路，會產生反電動勢導致的高電壓，從而可能會使低側開關因過電壓損壞。
不是簡單的開/關控制，而是透過可進行單獨閘極控制的寄生二極體控制和使用FET線性工作區域的恒流控制，在輸出端也可以安全地配置短路保護電路。但是這需要輸出電流檢測、輸出短路檢測、短路電流控制以及從短路狀態恢復時的重啟控制等各種控制，因此要實現這些功能，就需要非常複雜的外部電路。為了簡化電源電路的設計，對於在輸出端進行控制的升壓電源而言，通常傾向於選用高性能多功能的電源IC產品，這種產品中不僅內建高側開關，還內建可進行寄生二極體的開/關控制和電流控制的控制電路。
而在輸入端增加截止電路時，則可以透過恒流限制或截止供電電流來阻止電流的增加，因此限制較小，配置也相對簡單。然而，當高速切斷電流時，由於快速釋放電感輸入端而產生的反電動勢會變成高電壓，因此電感輸入端的電位會下降至負電壓。所以，為了防止VDD被施加負電壓而導致電源電路損壞，就需要增加續流二極體來給電感續流。
在升壓電源的輸入或輸出端連接具有限流功能的負載開關
要給升壓型DC-DC轉換器增加短路保護功能，需要複雜的電路。透過在輸入或輸出端增加具有限流功能或短路保護功能的負載開關，可以防止過負載和輸出短路時的過電流導致的燒損事故。如果安裝在輸出端，就需要處理負載開關切斷電流時電感中積蓄的多餘能量。透過在輸出電容後連接負載開關，使輸出電容吸收能量，可以防止電壓上升造成的過電壓損壞。但是要抑制多餘能量充電所導致的電壓上升，需要先確保輸出電容有足夠的容量。
如果安裝在輸入端，則不會發生電壓上升的情況，但在恢復時電源電路的輸入電容和輸出電容，將處於完全放電的狀態。在這種情況下，由於重啟時會對輸入和輸出電容進行充電，從而會流過突波電流，所以需要使用具有緩啟動功能的負載開關來限制突波電流。
【下載資料】 開關穩壓器基礎
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。
DC-DC
基礎篇
- 升壓型DC-DC轉換器的最大輸出電流 －前言－
- 升壓型DC-DC轉換器關斷時的工作
- 升壓電源負載短路引發的問題及其保護電路 －前言－
- 降低升壓電源輸出中的開關雜訊 －前言－
- 升壓型DC-DC轉換器的輸出漣波電壓 －前言－
- 開關穩壓器的基礎
- 輸入輸出電壓和元件常數對最大輸出電流的影響
- 線性穩壓器的基礎
- 總整理
- 電源電路的七大標配：從低雜訊型到升壓型！
- 何謂DC/DC轉換器？
設計編
評估篇
應用篇
- 使用線性穩壓器的電源設計要點
- 案例1：手工焊接導致IC和週邊元件受損
- 何謂LDO線性穩壓器的並聯
- 線性穩壓器的簡易穩定性優化方法 —前言—
- 使用通用電源IC實現電源時序控制的電路
- 使用浮接型線性穩壓器進行電源設計時的要點 —前言—
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