由于工程师对电源保护要求的重视，升压转换级可以通过当地负载获得的高压来提供系统优势。

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输出短路故障、过载条件、其他故障条件和启动时的高电容会严重增加输入电源负荷，或导致输入电源故障和损坏负荷。负载本身的要求非常苛刻，甚至高于主输入电源提供的电压。这些条件和要求导致输入电源过度设计或负荷过重，尤其是在需要升压负荷时。升压转换器是更高电压负载的常见选择，其问题是不能为下游电路提供系统保护。这是由输入输出的固有导电路径引起的；这条路径进一步增加了主电源的负担，降低了系统的可靠性，特别是在故障或过载条件下。

例如，在低压电池供电系统中，负载所需的电压可以高于主电源所能提供的电压。工业系统和具有高效功率放大器的通信系统通常需要一个宽的输入范围DC/DC稳压器提供升压电压。

升压电源具有一定的系统优势。在配线线束较大的系统中，高压降低了传输总电源所需的线规。汽车行业已经通过深入研究48V电池分析昂贵和笨重电缆线路带来的问题。RF从新晶体管的高电源电压供电运行中，发射器等高功率放大器系统找到了提高效率、增加输出功率密度的方法。一些关键任务系统需要通过电容储能来储备电能，这需要在更高的电压下具有更少的电容值 （E=1/2*C*V2）。升压维持电路可以实现更小的解决方案尺寸。

如果不考虑升压转换器本身的限制，系统的可靠性的可靠性，增加系统的成本，导致系统其他部分的过度设计。升压电路本身具有从输入到输出的导电路径（图1）。即使转换器关闭，电流也可以通过升压 二极管或同步功率FET二极管流向输出端。

（a） 非同步升压

（b） 同步升压

由于升压转换器不提供任何负载隔离，因此主电源或电池必须能够承受涌入电流造成的负担。

当没有单独的电流限流机制时，主电源将超过要求。在需要备用电池的系统中，无法控制的电流消耗会影响电池的可靠性或需要更大容量的电池。即使是预期的重负栽培条件也会降低有限电源（如电池）的供电能力；下降足以暂时切断其他系统电压轨上的电路，并重启意外系统。电源总线将根据最大电源电流能力限制允许的模块数量，而无需涌入限制或协同加电排序。

过载过程中发生的电机堵故障负载会吸收大电流。喷射器中使用的螺线管是短路故障的另一个负载示例。电机的可插拔模块可能需要一个升压电压轨（由主系统提供）来节省可拆卸组装的空间和成本，但在热插拔过程中也会从主电源中吸收过多的电流。未受保护的升压转换器未配备降低这些风险的设备；它只是给电源增加了负担。设计师经常通过主电源的过度设计或过度使用来解决这个问题，但一些简单的限制和保护技术可以节省系统成本，提高可靠性，即使在升压负载出现故障时。

保护方法

最简单的限流系统配置是采用一个负温度系数 （NTC） 热敏电阻(图2)。初始时，借助冷却时的高阻抗，NTC启动期间限制涌入电流。随着自身功耗的增加和阻抗的减少，更多的电流流过。该方法的优点是简单，并提供低成本的保护解决方案。

然而，在恶劣环境下实施这种系统配置时，会出现劣势。在汽车发动机舱等温度变化较大的环境中，环境温度会变得很高，这会降低NTC如果整个环境工作条件不仔细管理，初始阻抗会产生过多的涌入电流。若发生重启，NTC在下次加电前，设备可能不会冷却。输出电容器可能完全放电，但由于散热速度慢，NTC对于涌入电流TI授权代理商限制功能降到最低点。另外，如果出现负载短路故障，NTC它将不再限制比所选标称运行条件下的电源电流更高的电流。NTC 该方法对单一功能保护有效，但作为无源组件时功能有限。

图3. 热插拔的有源涌入电流限制

现在让我们来看看MOSFET等有源限制器：它需要一个类似于涌入限制器的控制电路，也称为热插拔控制器或电子熔丝。虽然这是一个额外的集成电路，位于控制器之前 （IC），许多控制器(图3)都有独特的可编程涌入限制功能，以确保MOSFET保持在安全工作区 （SOA） 同时，用电流和电压控制环路控制涌入率。SOA保持关键保护装置的长期可靠性。此外，涌入控制器可能有两个电流阀值：一个是标准涌入限制，另一个是严重过流条件下的断路器功能。这种实现方法的显著优点是可以实现先进的保护特性；然而，这种解决方案的成本和复杂性通常大于无源方法。

第三个保护选项是具有集成涌入限制的升压控制器。由于升压的高端元件（续流二极管或同步MOSFET）不能反向，这种方法还需要额外的MOSFET作为保护装置。然而，与热插拔控制器相比，升压和保护控制集成在一起IC它有助于降低解决方案的复杂性和尺寸，并提供许多额外的保护特性。

图4. 升压控制器支持集成涌入电流限制。

选择最差的情况MOSFET

任何限制都需要精心设计，以确保方案的稳定性和耐用性，特别是注意耗电器件。在使用中MOSFET请确保考虑到设备的安全工作区域。设置电流只是需要考虑的参数之一。在选择中MOSFET峰值关闭电压(泄漏/源电压)和MOSFET需要考虑时间长度等因素。

根据不同的系统设计要求，通过计算这些情况下(涌入、输出短路和突然断开电路)保护装置上的峰值能量，以下方程式帮助选择足够的能量MOSFET。

注意事项的充电电能为：

在这里：

EINRUSH = 以J为单位的输出电容器充电电能。

COUT = 以F为单位的最大输出电容值。

VINMAX = 以V为单位的最大输入电源电压。

虽然输出电容器充电电流最差的情况最初看起来类似于短路，但在MOSFET短路故障的真实条件将更加严格。MOSFET能够承受的短路能量取决于：

在这里：

ESHORT = 以J为单位的短路保护能量。

IINRUSH（TH） = 以A为单位的涌入电流限制阀值。

tDELAY = 以秒为单位的延迟时间。

所选保护控制器可能有故障安全断路器电流阀值，触发后立即断开输入。断路器的电能计算与短路相似，但由保护控制器（如有）设置的不同电流阀值。MOSFET由控制器的响应或延迟时间计算出最差耐受电能。

在这里：

ECIRCUIT_BREAKER = 以J为单位的断路器保护能量。

ICIRCUIT_BREAKER（TH） = 断路器阀值电流以A为单位。

需牢记的一点是，用MOSFET为了实现对涌入或故障条件的快速响应，应在MOSFET的输出端上执行适当的电压缓冲，以确保用于保护功能的器件不会对下游电路产生负面影响。使用升压电路时，保护装置后的第一个直接插件是主电感器。续流二极管可以管理和保护MOSFET电感器之间的任何电压振铃。它只在保护开关快速关闭时导电，尤其是断路器位于电感器左侧时。

图5. 输入电压瞬变抑制电路。

其它保护特性

重试定时器可能是您在选择保护控制器时考虑的另一个特性，也称为间歇模式。如果设备经历了断断续续的过流故障，自动重试可能更有利于系统，而无需重新启动整个系统。保护控制器可以打开断续模式MOSFET，等待故障在特定时间内解决，然后通过启动涌入控制序列进行重试。如果故障仍然存在，控制器可能会在一定数量的重试后无限次重试或锁定。

将MOSFET作为保护装置的第二个优点是实现了原始输入过压保护电路 （/）。通过在MOSFET将适当选择的齐纳二极管连接到栅极上，FET栅源电压由二极管夹紧，使得MOFET随着电源电压的增加，拉回电阻运行。二极管的击穿电压设定了有效的输出电压钳位值。MOSFET线性稳压器在电阻区运行，但需要注意的是，允许的最大钳位时间受到影响MOSFET限制属性。

参考文献

1. 下载数据表：LM5121， LM5069

2. 用宽VIN LM5121设计故障保护电路，应用报告 （SNVA726)，德州仪器 （TI），2015年1月

3. 低静态电流LM5060高侧保护电路 （SNVS628)，德州仪器 （TI），2013年4月

4. CSD19536KCS 100V N沟道NEXTFETTM 功率MOSFET （SLPS485)，德州仪器 （TI），2014年10月

5. 稳健耐用的热插拔设计，应用报告 （SLVA673)，德州仪器 （TI），2014年11月

6. 用于高效功率放大器GaN器件，T. Kikkawa富士通科技期刊，第48卷，第一期，2012年1月

7. 升级板上12V电源将为48V电力供应铺路，FrostSullivan，2012年6月

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作者：德州仪器 （TI）， Daniel Braunworth， Eric Lee