引言：短路保護對于確保輸出電源的可靠性至關重要，短路故障可能會導致電源故障，甚至會導致系統損壞。短路保護最常見的實現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。

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

1.短路定義

短路保護是所有配電輸出的安全要求，當帶電導體與系統中的接地元件發生物理接觸時，就發生短路。在短路時，電源和接地之間的電氣短路會產生非常低的阻抗路徑，導致高的、不受控制的持續電流流動。這種類型的電流對系統極其危險，可能會導致電路IC故障，任何有短路事件風險的系統都必須具備可靠的保護，在有以下這些特征的系統中，短路的風險會變得更高：

1：輸出電纜隨著時間的推移，電纜會磨損，出現暴露的金屬，可以與連接器接觸。

2：充滿碎片的環境，短路的一個常見原因是金屬碎片短路。

3：維護要求，在維修期間接觸金屬工具的任何可能性都會增加發生意外短路事件的風險。

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

例如汽車系統通過汽車電子委員會通過AEC-Q100-012標準來規范輸出短路保護，該標準要求系統能夠在數千個重復的短路事件中依然保持良好的工作狀態。

2.短路保護

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

圖1-1：可能發生短路的典型保護設置

系統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，一個高側開關提供了一個輸出階段的保護。當輸出電流迅速增加，直到達到90A的電流極限，此時開關會識別出短路事件然后關閉開關，防止過高電流流動。

因為端子短路這是一個終端短路，有最小的串聯阻抗，并且限流輸出能夠很容易地保護系統免受短路損害，短路電流的升降時間非常快，整個事件會在50us以內結束。

圖1-2：輸出端口短路

圖1-3：圖1-2的輸出端口短路保護動作波形

要了解短路，可以分析短路時總累積故障能量，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：在開關達到電流極限并關閉后，短路中的小微量感應元件產生一個負電壓峰值，導致開關中的電壓鉗接合，漏源電壓（VDS）上升到40V。當電感退磁時，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的短路，因為不會影響輸出保護的load。

電纜短路

在通過電纜之后發生短路時，考慮電纜串聯阻抗會增加保護的難度，圖1-4中的波形顯示高側開關短路，短路發生在具有5uH寄生電感電纜的負載側（5m電纜的標準值）。

圖1-4：電纜短路

圖1-5：圖1-4的電纜短路保護動作波形

額外的ESL顯著減緩了電流的上升和下降時間，因此脈沖的時間延長了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，公式計算通過串聯夾具放電感應元件時耗散的能量：

高側開關的VCLAMP參數通常是40V到60V，因此即使是一個小的5uH電纜電感，極限高電流也會產生一個大的退磁能量，輸出保護級必須吸收。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，大多數高側開關列出了感應負載能量峰值，因此要確保從最大電纜長度和最大電流計算出的能量低于額定能量。

圖1-6：高側開關的感應耗能

電阻短路

當碎片或腐蝕導致部分短路或負載故障時，就會發生電阻性短路。在上述短路中，低串聯電阻（碎片）會導致電流增加，直到達到電流極限。因為Rc和load并聯在一起，Rc的值會顯著影響短路電流的大小，當Rc稍大時，保護器件可能不會將其判定為短路，所以在發生電阻短路時，輸出保護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顯示了串聯電阻將短路電流限制在輸出保護電流限制器設定值以下，因此裝置不會無限地關閉輸出和電流流動。在此期間會有一個高的、不受控制的電流流動，直到系統達到熱關閉，或有一個二次的電流監測方法關閉系統。為了提高電阻短路保護的可靠性，必須設計整個系統來管理瞬態電流脈沖或通過最小化輸出保護電流限制來關閉。

圖1-7：電阻性短路

圖1-8：沒有受到保護的電阻性短路波

*3.系統中斷

即使整個系統在沒有損壞的情況下存活下來，短路事件也需要對系統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，然后整個系統產生欠壓鎖定。為了防止這種情況發生，在使用具有快速響應的解決方案實現短路保護的同時，還需要盡快觸發短路。

為了最小化響應時間，許多保護器件有一個快速跳閘響應，并在ns內觸發過電流事件。如果達到快速跳閘的閾值，該器件將立即關閉以保護電源，然后緩慢地將輸出電流安全地提高到所設定的電流限值，這可以防止短路期間的超時調整對供電產生不利影響。

4.保護注意事項

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級，通常這種保護是通過具有集成輸出鉗位的高端開關，或通過具有外部反彈二極管的eFuse或負載開關IC來實現。在設計短路保護時，應考慮：

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。因為這個能量是電流平方的函數，最小化峰值電流顯著降低了故障的風險，保持電流限制盡可能接近最大工作電流。

2：確認輸出保護可以消耗所需的故障能量，根據電纜長度和電流限制，計算出預期的最大短路能量，并檢查輸出保護階段是否能夠安全地耗散該能量。

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

4：確保快速識別電阻性短路，在發生電阻性短路時，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）連續監測負載電流。

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

通過圍繞這些原則設計一個輸出保護階段，可以安全地保護輸出免受短路的影響，并將損壞的風險降至最低。