峰值电流限流的优化方案

峰值电流限流的优化方案峰值电流限流的优化方案 电子设计应用 摘要 通过采用峰值电流限流的方法 电流限制功能可以使电感 电流在超出阈值时抑制电源转换器的开关电流 但是 由于比较 器延时 有效阈值削减问题通常难以避免 本文将针对这一问题 介绍一种峰值电流限流的优化方案 引言 电流限制是开关式电源转换器的一个重要保护功能 它可以在电 流限制模式下限制可用的输出电流 以防止出现系统故障 峰值 电流限制是目前业内普遍采用的电流限制方法 每当电感的电 流 IL 超出阈值 IV 时 电源转换器的开关 如图 1 所示 便会关断 以制止电流从输入电压源 VIN 注入 直至 IL 小于 IV 时 开关才 会重新开通 由于输出电流 IOUT 总是等于 IL 的平均值 在工作 期间 IL 呈线型纹波 故在电流限制模式下的 IOUT CL DES 为 1 式中的 IL RIPPLE 是 IL 纹波的峰峰值 一般而言 通常采用比较器来检测 IL 是否超出 IV 以决定关断或 重新开通 可是 比较器会带来延时 tD 影响阈值的有效值 如 图 2 所示 比较器在 t1 时刻检测到 IL V 可是偶遇延时 tD 开关会在 t2 时刻被恢复 基于这个原因 有效阀值 IN 便会低于 IV 这样 实际的输出 IOUT CL 为 2 当 IN V 时 上述数值便会小于 IOUT CL DES 结果 在比较 器中的 tD 会消减 IOUT CL 进一步研究 可发现 IN 会受电感 L 的影响 考虑到 IL 的电流变 化率为 3 式中的 t 是时间 而 VOUT 是电源转换器 如图 1 所示 的输出电 压 当 L 减小时 便会相应减少 由于 tD 不会受 ILS L 和 VOUT 影响 并且 VOUT 也不受 L 影响 所以 IN 会随着 L 而下降 这种关系可用下式表示 4 图 1 降压电源转换器 从式 4 中可清楚地看到 IN IV 由增大 L 或减少 tD 来降低 可 是高级电源转换器为减少元件尺寸 已倾向于朝着高频化发展 因此 预计 L 会比较小 另一方面 tD 的减少会导致比较器的转 换速率增大 这会增加功率的损耗 从而降低整体的转换效率 再者 工作频率有可能超出 1MHz 使开关周期达至 1ms 毫无疑 问 tD 的减少意味着比较器的带宽很高 这在现实中很难实现 由此可以看出 在这种情况下 较小的 L 会被使用 加上 tD 也与 开关周期相匹配 所以 IN 将会在工作频率较高时降低 结果 IOUT CL 会在工作频率较高时明显小于 IOUT CL DES 并会在低 工作频率时维持正常水平 尽管 IV 可设定为较高值 以确保 IOUT CL 可达到 IOUT CL DES 但这种超常的设计会为 MOSFET 带来一些问题 比如说 为了在电流限制模式下处理更多的电流 需要更大的电感和电路板尺寸 前者将会增加整体电路的大小 和成本 而后者则会增加电路的生产成本 图 2 电感器电流波形 检测到 IL 优化方案 要减少 IOUT CL 的下降 建议使用一个可变的 IV 来取代一个固定的 IV IV 的变化取决于 IL RIPPLE 的平均值 即输出电流 IOUT 在电 流限制模式下 假如 IOUT CL 由于 tD 而减少 那么 IV 将会增加 直至 IOUT CL 达到 ILR 参考值 这样 IOUT CL 将不会再受到 tD 的影响 优化提案的框图如图 3 所示 当中采用一个低通滤波器 LPF 来均化 IL 及其输出 并且给出一个误差放大器的 ILR 参考值 采用一个积分 器 通过误差放大器的输出可以产生一个可变 IV 结果 I 可达到一 个令 IOUT CL 与 ILR 相等的值 而 IOUT CL 也可脱离 tD 的影响 图 3 改良方案的模块图 图 4 传统方案的模拟结果 图 5 改良方案的模拟结果 为了说明这个方案 图 1 中的降压转换器会采用这些配置 L 20mH COUT 47mF RL 值在 2 64W 正常模式 1 1W 电流限制模式 间 转换 并会使用一个 tD 100ns 的比较器 而 IOUT CL DES 和 IL RIPPLE 分别是 2 5A 和 0 3A 不过 如果使用传统的峰值电流限 制方法 那么式 1 中的 IV 便会设定为 2 35A 传统方法的模拟结果如 图 4 所示 由此可以看到 IOUT