四招絕殺,讓你的Boost電路更安全!

開關電源最常見的三種結構布局是降壓（buck）、升壓（boost）和降壓–升壓（buck-boost），這三種布局都不是相互隔離的。

今天介紹的主角是boost升壓電路，the boost converter（或者叫step-up converter），是一種常見的開關直流升壓電路，它可以使輸出電壓比輸入電壓高。

下面主要從基本原理、boost電路參數設計、如何給Boost電路加保護電路三個方面來描述。

Boost電路是一種開關直流升壓電路，它能夠使輸出電壓高於輸入電壓。在電子電路設計當中算是一種較為常見的電路設計方式。

首先，你需要了解的基本知識：

電容阻礙電壓變化，通高頻，阻低頻，通交流，阻直流；

電感阻礙電流變化，通低頻，阻高頻，通直流，阻交流；

假定那個開關（三極體或者MOS管）已經斷開了很長時間，所有的元件都處於理想狀態，電容電壓等於輸入電壓。

下面要分充電和放電兩個部分來說明這個電路。

1.充電過程

在充電過程中，開關閉合（三極體導通），等效電路如上圖，開關（三極體）處用導線代替。這時，輸入電壓流過電感。二極體防止電容對地放電。由於輸入是直流電，所以電感上的電流以一定的比率線性增加，這個比率跟電感大小有關。隨著電感電流增加，電感裡儲存了一些能量。

2.放電過程

如上圖，這是當開關斷開（三極體截止）時的等效電路。當開關斷開（三極體截止）時，由於電感的電流保持特性，流經電感的電流不會馬上變為0，而是緩慢的由充電完畢時的值變為0。而原來的電路已斷開，於是電感只能通過新電路放電，即電感開始給電容充電，電容兩端電壓升高，此時電壓已經高於輸入電壓了。升壓完畢。

說起來升壓過程就是一個電感的能量傳遞過程。充電時，電感吸收能量，放電時電感放出能量。如果電容量足夠大，那麼在輸出端就可以在放電過程中保持一個持續的電流。如果這個通斷的過程不斷重複，就可以在電容兩端得到高於輸入電壓的電壓。

對於Boost電路，電感電流連續模式與電感電流非連續模式有很大的不同，非連續模式輸出電壓與輸入電壓，電感，負載電阻，佔空比還有開關頻率都有關係。而連續模式輸出電壓的大小隻取決於輸入電壓和佔空比。

1.輸出濾波電容的選擇

在開關電源中，輸出電容的作用是存儲能量，維持一個恆定的電壓。

Boost電路的電容選擇主要是控制輸出的紋波在指標規定的範圍內。

對於Boost電路，電容的阻抗和輸出電流決定了輸出電壓紋波的大小。

電容的阻抗由三部分組成，即等效串聯電感（ESL），等效串聯電阻（ESR）和電容值（C）。

在電感電流連續模式中，電容的大小取決於輸出電流、開關頻率和期望的輸出紋波。在MOSFET開通時，輸出濾波電容提供整個負載電流。

2.電感

在開關電源中，電感的作用是存儲能量。

電感的作用是維持一個恆定的電流，或者說，是限制電感中電流的變化。

在Boost電路中，選擇合適電感量通常用來限制流過它的紋波電流。

電感的紋波電流正比於輸入電壓和MOSFET開通時間，反比於電感量。電感量的大小決定了連續模式和非連續模式的工作點。

除了電感的感量外，選擇電感還應注意它最大直流或者峰值電流，和最大的工作頻率。

電感電流超過了其額定電流或者工作頻率超過了其最大工作頻率，都會導致電感飽和及過熱。

3.MOSFET

在小功率的DC/DC變化中，Power MOSFET是最常用的功率開關。MOSFET的成本比較低，工作頻率比較高。

設計中選取MOSFET主要考慮到它的導通損耗和開關損耗。

要求MOSFET要有足夠低的導通電阻RDS（ON）和比較低的柵極電荷Qg。

在前面部分，我們從充放電的角度了解了Boost電路以及 Boost電路參數的設計。

Boost電路作為一種非隔離的升壓電路，其結構簡單，容易設計，成本低廉，被廣泛應用於各種不需要隔離的升壓場合，特別是有源PFC電路中應用最為廣泛。

較於BUCK或其他的隔離電路，BOOST電路的保護似乎更麻煩。

對於一般的保護電路而言，當輸入欠壓，過壓，輸出過流，短路，過壓，過溫度的時候，我們會要求電路會自動關閉輸出，或實現打嗝式的保護，以利於後面的負載或電路受到及時的保護，避免損壞；但對於BOOST電路而言，因升壓電感，輸出整流二極體是串聯在輸入與輸出的迴路中，即使是完全關閉MOSFET的驅動，輸出也會有一個比輸入電壓低電感直流壓降跟二極體正嚮導通壓降的電壓，這也就是說不能完全關閉輸出，沒有達到我們想要的保護效果。

下面有幾種解決方案，可以用來給BOOST電路保護。

  

① 可以在輸入端加MOS作關斷保護。這個是一種很好的方法，但MOSFET的控制比較複雜，而且需要高電壓大電流的MOSFET，這樣會增大系統的成本，而且會降低可靠性。其結果是輸入端的電壓相對低些，而且加在輸入端更方便實現軟啟動，減小對MOS的衝擊。但是由於輸出端電流更小，加在輸出端MOS功耗更小一點。

② 對類似產品，日本有要求輸出端必須有保險裝置，通常是加可恢復保險絲。可恢復的保險絲說白了就是PTC，不適合大功率場合，而且會產生大量的損耗，把保險裝置加在輸出端比加在輸入端損耗相對小些，而且這種方式成本更低，經濟實惠。

③ 可以用在母線上串接繼電器的方式，在關掉MOS的同時，同步切斷繼電器，使得主迴路斷開就可以切斷電流迴路，進一步保護二極體。繼電器是一個常見的保護方法，但也有壽命短，且在開關動作時容易打火等缺點。

④ 如果不考慮成本和複雜性的話，完美的保護電路一定可以做的出來！但實際上，輸出短路是個例，為這個「意外」花過多的成本非常不值得。

圖註：第四種方案的電路設計圖

1、Vin端的Fuse必須要有，防止MOS擊穿造成安全隱患。

2、輸出短路時，受大電流衝擊的脆弱部件需要加強（圖中的Rsense )。

3、BOOST輸出電流通常遠小於輸入電流，更遠遠的小於短路時的大電流，因此使用PPTC（自恢復保險絲）是可行的。PPTC動作電流可取輸出電流的2~3倍，正常時，PPTC損耗非常小。

4、Boost使能腳EN電壓由輸出取，一但短路後，EN=0V（電壓降在PPTC上），IC立即停止工作，輸出電壓降低到約等於輸入電壓，可以減小短路保護後的功耗，同時也降低PPTC兩端的電壓，來降低PPTC的功耗。

5、當輸出短路排除後，由於PPTC的存在，EN重新得電,IC啟動，BOOST重新工作。

目前很少人關注這一塊，即使是目前各大廠商推出的PFC電路，只要後級一短路，後果都可想而知。保護最安全的方法是切斷輸入，目前的開關器件有三極體，MOSFET，IGBT，繼電器，接觸器等，不同的開關器件有不同的優缺點。

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