BOOST升压电路短路保护失效原因分析与解决方案

前文[ 发现一个奇怪的现象 | BOOST芯片EN引脚并不能关断输出？ ]分享了常规BOOST电路与BUCK电路很大的差异点是：

BUCK电路应对过流或短路的方案是可靠的限流或关断（可以关闭输出），但常规BOOST电路的关断仅是PWM停止，传统非同步或同步BOOST拓扑都不能阻止从输入到输出的直通电流路径。

在电源转换拓扑中，BOOST电路能轻松将低压提升至高压，却在输出短路时脆弱得不堪一击，短路电流可能飙升至额定值的10倍以上，瞬间烧毁电感和二极管。

这种“偏科”特性源于其独特的能量传递路径，当输出电压低于输入电压与二极管压降之差时，会形成不受控的直通电流，让常规限流措施完全失效。

1/ 颠覆认知：BOOST 电路的“偏科”特性 /

BOOST 电路作为电源设计中的“升压器”，能够轻松将低压提升至高压：

工作原理：通过低边开关导通时给电感储能，关断时电感释放能量实现升压

典型应用：移动电源、LED 驱动、汽车电子等领域

图：Boost Converter Equivalent Circuit During ON Cycle 

图：Boost Converter Equivalent Circuit During OFF Cycle

图：非同步BOOST电路实例

图：同步BOOST电路实例

然而，BOOST拓扑结构却存在致命的设计缺陷：当“输出电压 < 输入电压 + 二极管压降”时，会形成不受控制的直通电流路径，导致“传统的非同步/同步BOOST拓扑基于PWM停止的保护策略”失效！

2/ 物理本质：为什么短路电流会飙升至 10 倍以上？/

2.1 非同步 BOOST 的失控路径

当输出端发生短路，VOUT迅速降至0V，此时输入电压VIN将通过电感和整流二极管直接形成回路，从而在器件中产生较大的电流尖峰。

短路电流计算公式

ISHORT = (VIN - VF) / DCR ；

VIN：输入电压；VF：二极管正向压降（约 1V）；DCR：电感直流电阻（通常 0.1Ω 以下）

恐怖的计算结果

12V 输入，0.1Ω DCR：ISHORT = (12V - 1V) / 0.1Ω = 110A

这相当于额定电流的 10-30 倍！这股电流足以烧毁电感和二极管。

图：非同步BOOST电路输出短路路径

2.2 同步 BOOST 的新隐患（体二极管）

同步整流架构虽然提升了效率，却无法解决“传统的非同步/同步BOOST拓扑基于PWM停止的保护策略”失效这个根本问题。

MOSFET体二极管仍会形成续流路径，导致“关而不断”的尴尬局面，仍然面临短路时的大电流烧毁风险。

图：同步BOOST电路输出短路路径

3/ BOOST短路保护方案具体有哪些？/

3.1 外部硬件切断：输入端或输出端增加MOSFET/PPTC用于关断

1 输入端切断型保护：使用P-MOSFET从源头阻断电流

在输入端串联MOS管或负载开关，是最直接的保护方式。P沟道MOS管方案因无需额外驱动电路成为优选，其栅极电压降至源极以下即可关断，体二极管反向阻断特性可有效切断短路路径。

设计时需注意三点：漏源电压额定值应高于最大输入电压，RDS(ON)控制在50mΩ以下以减少损耗，栅极阈值电压需匹配控制信号电平。

芯片实例：MP3435

GATE：用于输入断开MOSFET的驱动。如果该引脚悬空或连接到输入MOSFET的栅极，则需要外部电流检测电阻。将GATE接地可使用内部电流检测电路。不要通过电阻将GATE拉到地。

图：MP3435应用电路

2 输入端切断型保护：使用LoadSwitch从源头阻断电流

负载开关则集成了过流检测和驱动电路，如TPS22916可将BOM元件数量减少40%，其内置的电流检测功能能在3μs内响应短路事件。但这类器件的价格是分立方案的3倍，更适合空间受限的消费电子。

3 输出端切断型保护：输出端增加MOSFET用于关断

因为BOOST电路的输出电流比输入电流更小，关断用途的MOSFET放置在输出端，也有利于降低导通损耗。

芯片实例：TPS61088

图：TPS61088输出切断方案

图：TPS61088应用电路

具体参数设计，参考如下文档：

slva819 Output Short-Circuit Protection Solution for the TPS61088.pdf

tidubu0 Output Short-Circuit Protection for the TPS61088 Boost Converter Design Guide.pdf

4 输出端切断型保护：输出端增加PPTC(自恢复保险丝)用于关断

因为BOOST电路的输出电流比输入电流更小，PPTC放置在输出端，也有利于降低导通损耗。

5 带打嗝功能的外部硬件切断TPS61178

其核心机制为：当检测到电感电流超过阈值（通常20A）或输出电压低于正常值30%时，立即关断外部P-FET并进入休眠模式（典型90ms）。休眠期结束后尝试重启，若短路持续则重复"短暂启动-过流关断-休眠"的打嗝循环。该模式通过降低平均电流（占空比约1%）显著减少功耗，避免芯片过热。

相比传统的外部硬件切断方案，集成方案元件更少（仅需外部P-FET），但依赖芯片内置检测逻辑，适用于对空间与成本敏感的便携式设备。

图：TPS61178x应用电路

具体参数设计，参考如下文档：

3.2 芯片集成保护：True Shutdown

1 非同步Boost芯片内部输出端集成开关

在 TLV61046A 中，隔离开关在关机模式和过载情况下关闭，从而切断电流路径。因此，TLV61046A 可以真正将负载与输入电压断开，并在关机模式下最大限度地减少漏电流。

图：TLV61046A芯片框图

2 True Shutdown with Switchable Body Diode on TPS61022, TPS61033, LM4510

背栅控制技术

通过动态调节横向结构MOSFET的背栅偏压，可在短路时临时“关闭”体二极管，从根本上切断续流路径，从而可以防止烧损问题。

图：背栅控制技术，来自ROHM

TPS61022

当输出电压低于1.8 V时，TPS61022会开始限制输出电流。输出电压越低，输出电流越小。当VOUT引脚短接到地，且输出电压低于0.4 V时，输出电流将被限制在约700 mA。一旦短路解除，TPS61022将再次通过软启动达到稳压输出电压。

图：TPS61022芯片框图

TPS61033

当输出电压低于 1.8 V 时，TPS61033 开始限制输出电流。输出电压越低，输出电流越小。当 VOUT 引脚短接到地，且输出电压降至低于 0.4 V 时，输出电流被限制约为 330 mA。一旦短路解除，TPS61033 会再次通过软启动达到稳压输出电压。

LM4510

当 VOUT 降到 VIN–0.7V（典型值）时，LM4510 由于短路保护电路停止开关，短路输出电流被限制在 IINIT_CHARGE。

4/ 设计要点：保护逻辑协同 /

在关断输出路径的应用中，输出关断MOSFET需与芯片内置限流功能配合：

先通过限流抑制电流尖峰，再触发MOSFET关断，避免关断瞬间的电感反电动势损坏器件。

5/ 结语 /

真正的电源专家，不仅懂得如何让电路工作，更懂得如何让电路安全地工作。在电源设计的世界里， 安全永远比性能更重要，预防永远比补救更有效！

       原文标题 : 发现一个奇怪的现象 | BOOST升压电路更怕输出短路啊