短路保護(hù)的定義和實(shí)現(xiàn)方式

引言：短路保護(hù)對于確保輸出電源的可靠性至關(guān)重要，短路故障可能會導(dǎo)致電源故障，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)損壞。短路保護(hù)最常見的實(shí)現(xiàn)方式是通過使用限流來控制輸出，因此了解電流限制對短路可靠性的影響非常重要。

短路行為和對應(yīng)的保護(hù)要求根據(jù)輸出阻抗而有所不同，從端子短路到部分電阻短路，根據(jù)短路阻抗和負(fù)載分布，電流和能量的分布將采用不同的形式。

1.短路定義

短路保護(hù)是所有配電輸出的安全要求，當(dāng)帶電導(dǎo)體與系統(tǒng)中的接地元件發(fā)生物理接觸時(shí)，就發(fā)生短路。在短路時(shí)，電源和接地之間的電氣短路會產(chǎn)生非常低的阻抗路徑，導(dǎo)致高的、不受控制的持續(xù)電流流動。這種類型的電流對系統(tǒng)極其危險(xiǎn)，可能會導(dǎo)致電路IC故障，任何有短路事件風(fēng)險(xiǎn)的系統(tǒng)都必須具備可靠的保護(hù)，在有以下這些特征的系統(tǒng)中，短路的風(fēng)險(xiǎn)會變得更高：

1：輸出電纜隨著時(shí)間的推移，電纜會磨損，出現(xiàn)暴露的金屬，可以與連接器接觸。

2：充滿碎片的環(huán)境，短路的一個常見原因是金屬碎片短路。

3：維護(hù)要求，在維修期間接觸金屬工具的任何可能性都會增加發(fā)生意外短路事件的風(fēng)險(xiǎn)。

4：高電壓供電，電源所能提供的能量越多，短路事件導(dǎo)致的危害程度就越高，電氣距離要求越大。

例如汽車系統(tǒng)通過汽車電子委員會通過AEC-Q100-012標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范輸出短路保護(hù)，該標(biāo)準(zhǔn)要求系統(tǒng)能夠在數(shù)千個重復(fù)的短路事件中依然保持良好的工作狀態(tài)。

2.短路保護(hù)

在短路事件中的主要危害是由低輸出阻抗引起的持續(xù)的大電流流動，因此為了防止短路，系統(tǒng)必須有輸出電源保護(hù)，能夠識別短路事件，然后快速和安全地關(guān)閉系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)這種保護(hù)的最佳方法是在輸出上使用限流開關(guān)。該開關(guān)將提供防止持續(xù)不受控制的短路電流和關(guān)閉，保護(hù)輸出電路。由于輸出阻抗是未知的，而且通常有感性寄生，開關(guān)必須能夠安全地退磁電感，因此需要一個回彈機(jī)制，圖1-1顯示了有可能出現(xiàn)短路的典型保護(hù)設(shè)置。

圖1-1：可能發(fā)生短路的典型保護(hù)設(shè)置

系統(tǒng)必須能夠承受的三種主要短路情況：端子短路、電纜短路和電阻性短路。

端子短路

最簡單的短路類型是端子短路，如圖1-2所示，一個高側(cè)開關(guān)提供了一個輸出階段的保護(hù)。當(dāng)輸出電流迅速增加，直到達(dá)到90A的電流極限，此時(shí)開關(guān)會識別出短路事件然后關(guān)閉開關(guān)，防止過高電流流動。

因?yàn)槎俗佣搪愤@是一個終端短路，有最小的串聯(lián)阻抗，并且限流輸出能夠很容易地保護(hù)系統(tǒng)免受短路損害，短路電流的升降時(shí)間非?？欤麄€事件會在50us以內(nèi)結(jié)束。

圖1-2：輸出端口短路

圖1-3：圖1-2的輸出端口短路保護(hù)動作波形

要了解短路，可以分析短路時(shí)總累積故障能量，它分為兩部分：

1：隨著短路電流的增大，電流在場效應(yīng)晶體管（FET）中造成電阻功率損失，但是由于FET處于飽和模式，電阻很小。

2：在開關(guān)達(dá)到電流極限并關(guān)閉后，短路中的小微量感應(yīng)元件產(chǎn)生一個負(fù)電壓峰值，導(dǎo)致開關(guān)中的電壓鉗接合，漏源電壓（VDS）上升到40V。當(dāng)電感退磁時(shí)，這個較高的VDS需要消耗更多的故障能量。

由于短路脈沖的時(shí)間長度較短，加之有大電流限制，總故障能量仍保持在相對安全的18mJ，輸出端口短路是最容易保護(hù)的短路，因?yàn)椴粫绊戄敵霰Ｗo(hù)的load。

電纜短路

在通過電纜之后發(fā)生短路時(shí)，考慮電纜串聯(lián)阻抗會增加保護(hù)的難度，圖1-4中的波形顯示高側(cè)開關(guān)短路，短路發(fā)生在具有5uH寄生電感電纜的負(fù)載側(cè)（5m電纜的標(biāo)準(zhǔn)值）。

圖1-4：電纜短路

圖1-5：圖1-4的電纜短路保護(hù)動作波形

額外的ESL顯著減緩了電流的上升和下降時(shí)間，因此脈沖的時(shí)間延長了10倍，總故障能量為75mJ，是端口短路的4倍，電感退磁包含了更高百分比的累積故障能量。

由于大電流故障中耗散的能量可能非常大，因此VCLAMP必須額定值足夠高才能耗散該能量，公式計(jì)算通過串聯(lián)夾具放電感應(yīng)元件時(shí)耗散的能量：

高側(cè)開關(guān)的VCLAMP參數(shù)通常是40V到60V，因此即使是一個小的5uH電纜電感，極限高電流也會產(chǎn)生一個大的退磁能量，輸出保護(hù)級必須吸收。在退磁過程中，輸入電壓也會由于輸入電感而增加，從而增加了必須耗散的總故障能量。

如圖1-6所示，大多數(shù)高側(cè)開關(guān)列出了感應(yīng)負(fù)載能量峰值，因此要確保從最大電纜長度和最大電流計(jì)算出的能量低于額定能量。

圖1-6：高側(cè)開關(guān)的感應(yīng)耗能

電阻短路

當(dāng)碎片或腐蝕導(dǎo)致部分短路或負(fù)載故障時(shí)，就會發(fā)生電阻性短路。在上述短路中，低串聯(lián)電阻（碎片）會導(dǎo)致電流增加，直到達(dá)到電流極限。因?yàn)镽c和load并聯(lián)在一起，Rc的值會顯著影響短路電流的大小，當(dāng)Rc稍大時(shí)，保護(hù)器件可能不會將其判定為短路，所以在發(fā)生電阻短路時(shí)，輸出保護(hù)必須有一個足夠低的電流限制，以將短路記錄為故障事件。

圖1-7顯示了串聯(lián)電阻將短路電流限制在輸出保護(hù)電流限制器設(shè)定值以下，因此裝置不會無限地關(guān)閉輸出和電流流動。在此期間會有一個高的、不受控制的電流流動，直到系統(tǒng)達(dá)到熱關(guān)閉，或有一個二次的電流監(jiān)測方法關(guān)閉系統(tǒng)。為了提高電阻短路保護(hù)的可靠性，必須設(shè)計(jì)整個系統(tǒng)來管理瞬態(tài)電流脈沖或通過最小化輸出保護(hù)電流限制來關(guān)閉。

圖1-7：電阻性短路

圖1-8：沒有受到保護(hù)的電阻性短路波

*3.系統(tǒng)中斷

即使整個系統(tǒng)在沒有損壞的情況下存活下來，短路事件也需要對系統(tǒng)造成盡可能少的中斷。在短路事件期間，高電流會使輸入電源過載，然后整個系統(tǒng)產(chǎn)生欠壓鎖定。為了防止這種情況發(fā)生，在使用具有快速響應(yīng)的解決方案實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)的同時(shí)，還需要盡快觸發(fā)短路。

為了最小化響應(yīng)時(shí)間，許多保護(hù)器件有一個快速跳閘響應(yīng)，并在ns內(nèi)觸發(fā)過電流事件。如果達(dá)到快速跳閘的閾值，該器件將立即關(guān)閉以保護(hù)電源，然后緩慢地將輸出電流安全地提高到所設(shè)定的電流限值，這可以防止短路期間的超時(shí)調(diào)整對供電產(chǎn)生不利影響。

4.保護(hù)注意事項(xiàng)

為了防止短路，最佳做法是使用集成電流限制和感性箝位的輸出保護(hù)級，通常這種保護(hù)是通過具有集成輸出鉗位的高端開關(guān)，或通過具有外部反彈二極管的eFuse或負(fù)載開關(guān)IC來實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)短路保護(hù)時(shí)，應(yīng)考慮：

1：最小化電流限制值，降低電流極限可以使在短路中必須耗散的能量最小化。因?yàn)檫@個能量是電流平方的函數(shù)，最小化峰值電流顯著降低了故障的風(fēng)險(xiǎn)，保持電流限制盡可能接近最大工作電流。

2：確認(rèn)輸出保護(hù)可以消耗所需的故障能量，根據(jù)電纜長度和電流限制，計(jì)算出預(yù)期的最大短路能量，并檢查輸出保護(hù)階段是否能夠安全地耗散該能量。

3：限制輸入和輸出電感，與短路串聯(lián)的電感顯著增加了退磁時(shí)間和必須耗散的總故障能量。

4：確?？焖僮R別電阻性短路，在發(fā)生電阻性短路時(shí)，請確保電流限制低到足以識別部分故障，或者有一種替代方法過電流檢測（如微控制器）連續(xù)監(jiān)測負(fù)載電流。

5：了解保護(hù)響應(yīng)時(shí)間，如果短路導(dǎo)致過電流，在ILIM電路能夠限制電流之前會有一個響應(yīng)時(shí)間，在此期間會有一些過沖，了解響應(yīng)時(shí)間如何影響最大可能的電流。

通過圍繞這些原則設(shè)計(jì)一個輸出保護(hù)階段，可以安全地保護(hù)輸出免受短路的影響，并將損壞的風(fēng)險(xiǎn)降至最低。