短路保护的定义和实现方式

引言：短路保护对于确保输出电源的可靠性至关重要，短路故障可能会导致电源故障，甚至会导致系统损坏。短路保护最常见的实现方式是通过使用限流来控制输出，因此了解电流限制对短路可靠性的影响非常重要。

短路行为和对应的保护要求根据输出阻抗而有所不同，从端子短路到部分电阻短路，根据短路阻抗和负载分布，电流和能量的分布将采用不同的形式。

1.短路定义

短路保护是所有配电输出的安全要求，当带电导体与系统中的接地元件发生物理接触时，就发生短路。在短路时，电源和接地之间的电气短路会产生非常低的阻抗路径，导致高的、不受控制的持续电流流动。这种类型的电流对系统极其危险，可能会导致电路IC故障，任何有短路事件风险的系统都必须具备可靠的保护，在有以下这些特征的系统中，短路的风险会变得更高：

1：输出电缆随着时间的推移，电缆会磨损，出现暴露的金属，可以与连接器接触。

2：充满碎片的环境，短路的一个常见原因是金属碎片短路。

3：维护要求，在维修期间接触金属工具的任何可能性都会增加发生意外短路事件的风险。

4：高电压供电，电源所能提供的能量越多，短路事件导致的危害程度就越高，电气距离要求越大。

例如汽车系统通过汽车电子委员会通过AEC-Q100-012标准来规范输出短路保护，该标准要求系统能够在数千个重复的短路事件中依然保持良好的工作状态。

2.短路保护

在短路事件中的主要危害是由低输出阻抗引起的持续的大电流流动，因此为了防止短路，系统必须有输出电源保护，能够识别短路事件，然后快速和安全地关闭系统。实现这种保护的最佳方法是在输出上使用限流开关。该开关将提供防止持续不受控制的短路电流和关闭，保护输出电路。由于输出阻抗是未知的，而且通常有感性寄生，开关必须能够安全地退磁电感，因此需要一个回弹机制，图1-1显示了有可能出现短路的典型保护设置。

图1-1：可能发生短路的典型保护设置

系统必须能够承受的三种主要短路情况：端子短路、电缆短路和电阻性短路。

端子短路

最简单的短路类型是端子短路，如图1-2所示，一个高侧开关提供了一个输出阶段的保护。当输出电流迅速增加，直到达到90A的电流极限，此时开关会识别出短路事件然后关闭开关，防止过高电流流动。

因为端子短路这是一个终端短路，有最小的串联阻抗，并且限流输出能够很容易地保护系统免受短路损害，短路电流的升降时间非常快，整个事件会在50us以内结束。

图1-2：输出端口短路

图1-3：图1-2的输出端口短路保护动作波形

要了解短路，可以分析短路时总累积故障能量，它分为两部分：

1：随着短路电流的增大，电流在场效应晶体管（FET）中造成电阻功率损失，但是由于FET处于饱和模式，电阻很小。

2：在开关达到电流极限并关闭后，短路中的小微量感应元件产生一个负电压峰值，导致开关中的电压钳接合，漏源电压（VDS）上升到40V。当电感退磁时，这个较高的VDS需要消耗更多的故障能量。

由于短路脉冲的时间长度较短，加之有大电流限制，总故障能量仍保持在相对安全的18mJ，输出端口短路是最容易保护的短路，因为不会影响输出保护的load。

电缆短路

在通过电缆之后发生短路时，考虑电缆串联阻抗会增加保护的难度，图1-4中的波形显示高侧开关短路，短路发生在具有5uH寄生电感电缆的负载侧（5m电缆的标准值）。

图1-4：电缆短路

图1-5：图1-4的电缆短路保护动作波形

额外的ESL显著减缓了电流的上升和下降时间，因此脉冲的时间延长了10倍，总故障能量为75mJ，是端口短路的4倍，电感退磁包含了更高百分比的累积故障能量。

由于大电流故障中耗散的能量可能非常大，因此VCLAMP必须额定值足够高才能耗散该能量，公式计算通过串联夹具放电感应元件时耗散的能量：

高侧开关的VCLAMP参数通常是40V到60V，因此即使是一个小的5uH电缆电感，极限高电流也会产生一个大的退磁能量，输出保护级必须吸收。在退磁过程中，输入电压也会由于输入电感而增加，从而增加了必须耗散的总故障能量。

如图1-6所示，大多数高侧开关列出了感应负载能量峰值，因此要确保从最大电缆长度和最大电流计算出的能量低于额定能量。

图1-6：高侧开关的感应耗能

电阻短路

当碎片或腐蚀导致部分短路或负载故障时，就会发生电阻性短路。在上述短路中，低串联电阻（碎片）会导致电流增加，直到达到电流极限。因为Rc和load并联在一起，Rc的值会显著影响短路电流的大小，当Rc稍大时，保护器件可能不会将其判定为短路，所以在发生电阻短路时，输出保护必须有一个足够低的电流限制，以将短路记录为故障事件。

图1-7显示了串联电阻将短路电流限制在输出保护电流限制器设定值以下，因此装置不会无限地关闭输出和电流流动。在此期间会有一个高的、不受控制的电流流动，直到系统达到热关闭，或有一个二次的电流监测方法关闭系统。为了提高电阻短路保护的可靠性，必须设计整个系统来管理瞬态电流脉冲或通过最小化输出保护电流限制来关闭。

图1-7：电阻性短路

图1-8：没有受到保护的电阻性短路波

*3.系统中断

即使整个系统在没有损坏的情况下存活下来，短路事件也需要对系统造成尽可能少的中断。在短路事件期间，高电流会使输入电源过载，然后整个系统产生欠压锁定。为了防止这种情况发生，在使用具有快速响应的解决方案实现短路保护的同时，还需要尽快触发短路。

为了最小化响应时间，许多保护器件有一个快速跳闸响应，并在ns内触发过电流事件。如果达到快速跳闸的阈值，该器件将立即关闭以保护电源，然后缓慢地将输出电流安全地提高到所设定的电流限值，这可以防止短路期间的超时调整对供电产生不利影响。

4.保护注意事项

为了防止短路，最佳做法是使用集成电流限制和感性箝位的输出保护级，通常这种保护是通过具有集成输出钳位的高端开关，或通过具有外部反弹二极管的eFuse或负载开关IC来实现。在设计短路保护时，应考虑：

1：最小化电流限制值，降低电流极限可以使在短路中必须耗散的能量最小化。因为这个能量是电流平方的函数，最小化峰值电流显著降低了故障的风险，保持电流限制尽可能接近最大工作电流。

2：确认输出保护可以消耗所需的故障能量，根据电缆长度和电流限制，计算出预期的最大短路能量，并检查输出保护阶段是否能够安全地耗散该能量。

3：限制输入和输出电感，与短路串联的电感显著增加了退磁时间和必须耗散的总故障能量。

4：确保快速识别电阻性短路，在发生电阻性短路时，请确保电流限制低到足以识别部分故障，或者有一种替代方法过电流检测（如微控制器）连续监测负载电流。

5：了解保护响应时间，如果短路导致过电流，在ILIM电路能够限制电流之前会有一个响应时间，在此期间会有一些过冲，了解响应时间如何影响最大可能的电流。

通过围绕这些原则设计一个输出保护阶段，可以安全地保护输出免受短路的影响，并将损坏的风险降至最低。