谈谈SCT12A1输出短路保护设计

苦的咖啡

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（F1）包括开关管Q1，续流管Q2，储能器件电感L，输出电容C。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C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形成单独回路。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1BOOST基本结构









在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，进而损坏转换器和输出端负载。
















2SCT12A1的输出短路保护原理(芯洲科技发明专利)








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F2所示，在转换器输出和负载端之间插入P型MOSFET来断开负载并提供输出端短路保护。P型MOSFET的源极连接到SCT12A1的VOUT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Q3的PGATE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P型MOSFET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。









如F2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VIN和VOUT压差，如果输出电压低于输入电压1V，SCT12A1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通过打嗝工作模式比较大限度地降低功耗。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12V，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C5BC5A时,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。
















3外围电路设计









31SS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12V后，再一次启动打嗝，打嗝工作时序如F3所示。打嗝时间可以通过公式（1）计算得到。
























_SS=(C_SS*V_REF)I_SS




(1)













其中：








·SS：软启动时间









·VREF:内部参考电压12V









·CSS：SS引脚的对地电容









·ISS：内部对SS引脚充电电流5A


















图3输出短路保护，打嗝工作模式时序
















32外部P型MOSFET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×SHORT(2)

























例如，VOUT=12V,ISHORT=15A,SHORT=60。短路过程产生的热为54J。选择外置P型MOSFET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,SOA54J


















T1外部P型MOSFET选择示例

































图5FDMC612PZ
SOA

















图6
CSD25404Q3SOA
















4SCT12A1输出短路保护波形

























图8输出短路保护，VIN=36V,VOUT=9V,IOUT=0A

























图9输出短路保护，VIN=36V,VOUT=9V,IOUT=3A
















5引用









1详情请参考：SCT12A1DHKR









2FDMC612PZ产品规格书









3CSD25404Q3产品规格书1









4发明专利，“一种保护电路及方法”专利号:ZL2022111318214








































期间电源模组也做了许多的调整，调转了产品研发的方向，为了更好的迎合市场的需求。芯洲科技股份有限公司是一家聚焦于高性能电源管理集成电路产品研发与销售的电源管理芯片厂家,中高压电源管理功率转换与控制的核心技术上持续打造国内领先地位，提供降压、升压转换器等多种产品。https://www.silicontent.com/