過電流保護

當電源轉換器輸出短路或超過額定電流值，輸出端的電流超過負荷，過電流會使電源轉換器內部元件受損。為了保護電源轉換器以及前端的電路系統，所以需要適合的保護機制來防止。

過負載保護(Over Load Protection, OLP)

應用在DC-DC電源轉換器中，是藉由偵測一次側電感電流，來判定過載保護的時機。圖 1為返馳式轉換器基本架構，I₁為一次側電感電流，因I₁會隨著輸入電壓改變，因此保護點也會隨著輸入電壓變化。例如60W的轉換器，在輸入為低壓時會在120%保護，在輸入為高壓時保護點會提高至160%。

過電流保護(Over Current Protection, OCP)

過電流保護的設計是直接偵測二次側輸出端電流。圖 2為返馳式轉換器基本架構，Io為二次側輸出端電流。外接電流偵測電阻(Rsense)。由於輸出為固定電壓，保護點只與電流偵測電阻上的電壓有相關，不會隨一次側輸入電壓變動。使用在大功率的電源轉換器可避免輸出電流超出安全範圍值的問題。

應用線路-基本線路

基本的過電流保護動作有偵測輸出電流、判定電流過大，然後進行截止。要完成這三項動作，最簡易的方式可以由一個電流偵測電阻(Rsense)、一個準位比較器和開關MOSFET(Q1, Q2)組成。圖 3是OCP的基本應用線路圖。電流的偵測點為二次側的輸出端，為了要進行電壓準位比較，需要將輸出電流訊號轉成電壓訊號，根據歐姆定律將流經的電流轉為電壓訊號進入比較器。再由比較器做判斷，比較器判定未超過參考電壓(Vref)，輸出低準位，使Q2截止且Q1導通，輸出端正常輸出。若比較器判斷外部電壓超過參考電壓時，即輸出高準位將Q2導通且Q1截止，以此方式將輸出端斷開。

實際範例-實作

圖4為OCP電路板，包含控制IC、開關MOSFET(Q1)、電流偵測電阻Rsense與其他功能線路。

並使用DC-DC電源轉換器的模擬測試板，結合OCP電路板使用, 如圖5。DC-DC電源轉換器的輸出端, 連接至OCP電路板的輸入端, 可直接評估OCP電路板的功能。

實際範例-方塊圖

實際範例-IC功能

本實驗選用的LT4363包含多項保護功能，其中過電流保護為本實驗選用之重點，透過自由選擇適當的MOS與偵測電阻，構成所需的過電流保護條件。

LT4363內部有電荷泵可提供n-MOSFET足夠驅動電壓，予以導通。並可監控SNS與OUT兩引腳之間的壓降，內部放大器將兩端的電壓限制在50mV，並在截止期間電壓限制降為25mV，表示過電流發生之後，電流必須要降至限制點的一半，才可以解除保護狀態，防止電流持續對系統造成負擔。

過電壓保護(Over Voltage Protection, OVP)、欠壓鎖定(Under Voltage Protection, UVP)，可藉由外加的電阻設定保護點。當電壓低於UVP設定值，或電壓高於OVP設定值，皆會啟動保護，MOS關閉將輸出端斷開。

實際範例-實驗條件

下表為本實驗選用的直流-直流電源轉換器規格

DC to DC Converter	60W, 2x1” package
Input voltage	9~36V, Nom. 24V
Output voltage	12V
Output current (full load)	5A
Efficiency (typ.)	91%

實際範例-電流偵測電阻的選擇

由於SNS與OUT之間的偵測電壓設定為50mV，因此Rsense的選擇可根據保護點的電流值來決定。欲使轉換器在150%截止，選擇Rsense為7mΩ，並計算電流的保護點為7.143A。

截止之後，SNS與OUT之間的偵測電壓會降為25mV，根據歐姆定律計算出復歸電流點:

由上述計算式可知，當截止之後，輸出電流低於3.57A，才可解除截止狀態，回復正常運作。

應用範例-功率耗損

由於OCP為外加的線路，因此結合在DC-DC電源轉換器的使用上，會有能量損失，主要的損耗來自MOS。

下表為MOS規格

TYPE	VDSS	RDS(on)	ID	PW
STW52NK25Z	250V	<0.045Ω	52A	300W

在滿載條件下，MOS與電阻個別的功率損耗為:

相加可得總能量損耗

根據上式計算出的總損失，可得電源轉換器所損失的效率

應用範例-實作波型

圖 7為從正常運作狀態進入保護截止的波形。輸出電流達到7.3A時，進入保護截止，輸出電流降為0A，輸出電壓也降為0V。Ch1: 輸入電壓，Ch2: 輸出電壓，Ch4: 輸出電流。

結論

用來限制輸出電流避免過載的OCP與OLP線路各有優缺點。在大功率轉換器的條件下，OLP的機制使保護點超過安全範圍的風險較大。而使用OCP可以避開此風險，但需犧牲一部分線路體積與轉換器效率。本文藉由實做一OCP電路板，以多功能過電流保護IC減少線路設計的複雜度並提高功能性，結合各項保護功能，包含過電壓保護、過電流保護與欠壓鎖定。最後結合60W DC-DC電源轉換器，實際截止電流為146%，與預期150%截止相差無幾，且保護截止點不受輸入電壓影響。OCP線路的功能與OLP有差異性，可針對不同電源產品的需求，考慮兩者的優劣，選擇適當的保護線路。

 

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