TPS613222A 请参阅参考文献 1 是一款非常紧凑的升压转换器，只有 3 个有效引脚。在设计 5V 固定输出电源轨时，只需要两个外部元件（一个电感器和一个输出电容器）。静态电流的典型值为 6.5uA，即使升压转换器始终处于工作状态，总功率损耗也非常小。该器件可显著减少系统成本，并简化系统设计，但不提供短路保护。

TPS613222A 是一款具有迟滞电流控制功能的升压转换器，内部有一个电流比较器，用于导通和关断功率 MOSFET。在关断相期间，高侧 MOSFET 处于导通状态，低侧 MOSFET 处于关断状态。由于输出电压高于输入电压，电感器电流会逐渐下降。当电感器电流触发误差放大器输出设置的目标值时，高侧 MOSFET 会关断，而低侧 MOSFET 会导通（集成了死区时间控制功能），然后电感器电流开始逐渐上升。当电感器电流上升到迟滞电流比较器设置的目标值时，低侧 MOSFET 会关断，而高侧 MOSFET 会再次导通。TPS613222A 会反复运行此过程。如果输出负载超出 TPS613222A 的能力，典型峰值开关电流会被限制在 1.8A，输出电压会开始下降。当输出电压降至输入电压的水平时，将无法控制电感器电流，因为即使在关断相，电感器电流也会逐渐上升而不是下降，升压转换器可能会受损。

图 2-1 典型应用

本应用手册采用短路保护技术时，会增加两个通用有源开关和一些无源器件，如图 2-1 所示。电阻 R_sense 与 Q2 的 R_ds,on 能够监控子系统的输出电流，V_o- 电压馈入 NPN 信号开关 Q1 的基极，Q1 是通用双极开关，例如 MMBT3904。当 V_o- 增加到 Q1 的 V_be 阈值，即典型值 0.6V，Q1 的集电极电流会显著增加，并将 Q2 的 V_gs 电压拉至低于栅极阈值电压 V_th。这样会立即切断电流路径，电源系统和子系统都会得到保护。

短路电流阈值 I_LIMIT 是根据Equation1 设置的：

Equation1.

其中

• R_sense 为检测电阻器的电阻
• R_ds,on 为 Q2 的导通电阻
• V_be 为双极开关 Q1 的导通阈值

消除短路情况后，V_o- 电压会由 Q1 的基极至发射极电流 I_be 缓慢拉至 GND。恢复时间与输出电容器 C3 相关，泄漏电流根据Equation2 设置：

Equation2.

其中

• T_recovery 为消除短路事件后的恢复时间，输出电压会恢复到 5V。（V_o- 逐渐下降到 0V）。
• I_leak 为漏入 Q1 开关基极的电流，也就是 I_be。
• C₃ 为输出电容。
• V_o- 为子系统负输入侧的电压。

例如，R₂ 为 1000Ω，输出电容器为 4.7µF。I_leak 最大为 4.4mA。计算时可简单地使用 2.2mA 的平均泄漏电流。则恢复时间长于 10ms。

若要缩短 SCP 发生时的响应时间（或从 SCP 到正常模式的恢复时间），可使用阻值较小的 R2 电阻。根据以下公式，泄漏电流与 R2 电阻成反比。此电阻的建议值在 100Ω 到 100KΩ 之间。这是在恢复时间/响应时间与泄漏电流之间做出折衷的建议。

下图展示了发生快速短路事件后的响应时间。R_sense 设为 0.5Ω，可获得 1.1A 的目标短路电流阈值。当 R₂ 为 100Ω 时，实际触发点为 1.1A，当 R₂ 高于 10kΩ 时，触发点变为高于 2A。

图 2-2 R₂ = 100Ω

图 2-4 R₂ = 10000Ω

图 2-3 R₂ = 1000Ω

图 2-5 R₂ = 100000Ω

以下内容介绍了另一个重要主题，即如何在此类应用中选择外部元件，特别是两个外部有源开关。

请注意以下要求：

• 开关的最大 V_ds 电压必须高于 TPS613222A 的输出电压。
• 如果没有 R_sense，R_ds,on 也应与解决方案的总效率相平衡，在最大负载下整个系统功耗为 3% 是理想的折衷方案。
• 在最坏的情况下，V_gs 最大规格应大于 TPS613222A 的最大输出电压。
• 寄生电容也是 Q2 的一个问题。发生短路事件后，高压摆率 di/dt 会在 Q2 的漏源极产生高尖峰。最大尖峰不应超出最大电压限值。

开关 Q1 是通用 NPN 双极晶体管，可节省成本。V_be 对于温度变化很敏感。TI 建议将 Q1 放在距离 TPS613222A 和 Q2 较远的位置，因为在提供短路保护时 TPS613222A 和 Q2 会产生一些热量。此开关可用一个小信号 NMOS FET 代替。

Q1 开关也可以是 NMOS FET。如果 Q1 是 NMOS，则泄漏电流可忽略不计，因为栅源之间具有高阻抗。而且，由于泄漏电流很小，响应时间将非常短，但恢复时间将非常长。

图 3-1 MMBT3904 I-V 曲线 请参阅参考文献 2

短路保护有多种实现方式，也适用于 PMOS 和 PNP 晶体管配置。与 P 型开关（PMOS、PNP）相比，N 型有源开关（NMOS、NPN）更加常见，通常成本也更低。

PMOS 的优势是，接地路径不会被切断，这对传感器、ADC 或 DAC 等对接地敏感的子系统而言非常重要。

图 4-1 没有 R_sense 的 N 型实现

图 4-3 没有 R_sense 的 P 型实现

图 4-2 有 R_sense 的 N 型实现

图 4-4 有 R_sense 的 P 型实现

此设计适合便携式应用，例如真无线立体声 (TWS)。它有助于降低系统成本，还能为整个系统提供短路保护。

1. 有关低功耗升压转换器 TPS613222A 的更多信息，请参阅 TI 网站中的产品文件夹 - https://www.ti.com.cn/product/cn/TPS61322。
2. 有关 MMBT3904 数据表，请参阅 https://www.diodes.com/assets/Datasheets/ds30036.pdf