谷底電流限流保護(hù)方案

為了濾除電流檢測信號前沿尖峰，現(xiàn)在的峰值電流模式控制器都具有前沿消隱時間（Leading Edge Blanking LEB），這個設(shè)置會導(dǎo)致二個問題：

1、輸出短路時，無法提供可靠的過流保護(hù)；

2、低占空比應(yīng)用，如19V輸入、1V輸出，800kHz工作頻率，導(dǎo)通時間小于LEB時間，系統(tǒng)無法正確調(diào)節(jié)，如圖1所示；另外，在這種應(yīng)用中，輸出短路時，輸出回路的阻抗和短路電流的乘積所得的電壓值，很難降低到低于0.5VFB、更不用說0.2VFB，因此，輸出短路的頻率折返功能將無法起作用。

Is*Rout > 0.2*VFB

Is：短路電路；

Rout：輸出回路電阻。

圖1? 過小導(dǎo)通時間系統(tǒng)無法正確調(diào)節(jié)

低占空比應(yīng)用，BUCK變換器上管導(dǎo)通時間短，下管導(dǎo)通時間長，對于峰值電流模式，在非常短的上管導(dǎo)通時間內(nèi)，無法及時檢測到電流信號；但是，如果檢測下管電流，就有足夠時間準(zhǔn)確的檢測到電流信號?；谶@種電流檢測的控制方式，稱為谷底電流PWM控制方式，以及COT固定導(dǎo)通時間控制方式。下面以COT控制方式為例，說明它的限流保護(hù)原理。

COT控制方式，就是檢測下管電流，也就是輸出電感鋸齒波的谷底(點(diǎn))電流。通常，在谷底電流點(diǎn)時刻，下管關(guān)斷，經(jīng)過短時的死區(qū)時間后，上管再開通。

谷底電流檢測，可以檢測下管功率MOSFET的導(dǎo)通壓降，也就是使用下管的導(dǎo)通電阻RDS(ON)，作為電流取樣電阻。由于功率MOSFET的導(dǎo)通電阻隨溫度變化的范圍大，為了獲得正確的電流檢測信號，系統(tǒng)內(nèi)部必須具有溫度補(bǔ)償電路，這種電流取樣方式成本低，效率高。

另一種方式就是下管串聯(lián)外部的取樣電阻，這種方式電流取樣的精度高，也不需要溫度補(bǔ)償，但成本高，影響系統(tǒng)的效率。

COT控制模式的BUCK變換器輸出短路時，谷底電流會逐漸抬高，如果設(shè)定一個電流值，當(dāng)谷底電流增加到高于這個電流值時，下管就不再關(guān)斷，一直保持導(dǎo)通狀態(tài)， 直到谷底電流降低到等于這個值時，才關(guān)斷下管，如圖2所示。

圖2? 谷底限流工作原理

這種控制方式問題在于、不同的輸出電感值，不同的輸入電壓，峰值電流不相同：

L*di/dt = Vin – Vo

輸出電感越小、輸入電壓越大，峰值電流值就越大，電感平均電流也就越大，如圖3所示。如果電感選擇不合適，在一些應(yīng)用條件下，電感可能會飽和，就會產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)。同樣的，系統(tǒng)不能一直工作在電流較大的限流狀態(tài)，在確認(rèn)進(jìn)入谷底限流后，不同芯片會使用不同的保護(hù)工作模式。

圖3 ?不同工作條件電感峰值電流和平均電流

1、Hiccup打嗝工作模式

當(dāng)進(jìn)入谷底限流后，延時一段時間，然后系統(tǒng)再檢測，如果輸出仍然短路、還工作在谷底限流狀態(tài)，系統(tǒng)就同時關(guān)閉上、下管的驅(qū)動信號，停止工作。然后，延時更長的一段時間，系統(tǒng)重新啟動，如此反復(fù)，如圖4、圖5所示。如果系統(tǒng)檢測到輸出短路消除，就進(jìn)入到正常工作。

延遲時間使用內(nèi)部的時鐘信號計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器計(jì)滿一定的個數(shù)如512、1024、2048、4096，…，設(shè)定相應(yīng)的延遲時間。

圖4? 打嗝工作模式

圖5? 進(jìn)入打嗝工作模式波形

2、降低谷底限流值

當(dāng)進(jìn)入谷底限流后，延時一段時間，然后系統(tǒng)再檢測，如果輸出仍然短路、還工作在谷底限流狀態(tài)，系統(tǒng)就降低設(shè)定的谷底限流值，例如，降低到原來谷底限流值的1/2，從而降低輸出電感的峰值電流和平均值電流，保證系統(tǒng)的安全，如圖6所示。

圖6? 降低谷底限流值

3、同時使用峰值限流和谷點(diǎn)限流

當(dāng)系統(tǒng)工作條件如輸入電壓、輸出電感發(fā)生變化的時候，輸出電感的峰值電流、平均電流也隨之發(fā)生改變，就產(chǎn)生了上面的應(yīng)用問題。如果系統(tǒng)同時檢測峰值電流和谷底電流，同時使用峰值限流和谷底限流，這樣，不管什么工作條件，當(dāng)輸出短路時，輸出電流相當(dāng)于工作在恒定的平均電流，也就是恒流輸出狀態(tài)，如圖7所示。由于電感的峰值電流和平均電流工作在合理設(shè)定的范圍內(nèi)，這樣系統(tǒng)安全可靠；同時，瞬態(tài)輸出短路或過載消除后，輸出電壓恢復(fù)的響應(yīng)速度非常快。

圖7? 峰值限流和谷點(diǎn)限流的恒流模式

4、同步BUCK變換器下管的負(fù)向電流限流保護(hù)

在同步BUCK變換器中，還有一個電流要進(jìn)行限制保護(hù)，就是當(dāng)系統(tǒng)輸出從大負(fù)載切換到輕載或空載，如果下管導(dǎo)通的時間較長，當(dāng)輸出電感的電流過0后，下管還保持導(dǎo)通狀態(tài)，那么，輸出電壓就會對輸出電感反向激磁，形成負(fù)向電流，也就倒灌電流，如圖8所示。下管的電流從原來的源極S流向漏極D，變?yōu)閺穆OD流向源極S，如圖9所示。當(dāng)下管關(guān)斷時，可能導(dǎo)致功率MOSFET產(chǎn)生雪崩發(fā)生損壞。

圖8? 下管負(fù)向電流限流

a)? 下管正常工作電流方向

b)??下管反向電流方向

圖9? 下管電流工作方向

因此，在系統(tǒng)的內(nèi)部，也要對下管的負(fù)向電流進(jìn)行限流保護(hù)，當(dāng)下管的負(fù)向電流達(dá)到一定值，就提前關(guān)閉下管。

審核編輯：湯梓紅