降壓穩(wěn)壓器過(guò)流保護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)詳解

同步降壓穩(wěn)壓器廣泛用于工業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用，可將12V電源軌步降至適合微控制器、FPGA、內(nèi)存和外設(shè)I/O的負(fù)載點(diǎn)輸入，最小可低至0.6V。為防止這些開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器由于過(guò)量電流而損壞，過(guò)流保護(hù)（OCP）功能非常關(guān)鍵。一般會(huì)采用逐周期電流限制，因?yàn)轫憫?yīng)速度快。該方案使開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器持續(xù)以最大負(fù)載電流工作，但同時(shí)會(huì)產(chǎn)生過(guò)量的熱，并有可能降低系統(tǒng)可靠性。使用二級(jí)保護(hù)方案（如打嗝模式和閉鎖模式）能解決可靠性問(wèn)題，同時(shí)改善平均故障間隔時(shí)間（MTBF）。

本文討論了幾種流行的OCP方案，并解釋了這些方案的工作原理，及其在降壓穩(wěn)壓器中的實(shí)現(xiàn)方式。另外我們還將討論電源設(shè)計(jì)工程師所面對(duì)的實(shí)際考慮事項(xiàng)，幫助他們?yōu)槠鋺?yīng)用做出最合適的選擇。

采用逐周期電流限制的過(guò)流保護(hù)

電流模式控制（CMC）降壓轉(zhuǎn)換器因?yàn)橛性S多優(yōu)勢(shì)而在近年來(lái)變得非常流行。其主要優(yōu)勢(shì)之一是其只需通過(guò)COMP電壓箝制即可實(shí)現(xiàn)內(nèi)在的逐周期電流限制。圖1顯示了一種峰值CMC降壓轉(zhuǎn)換器的框圖，我們以它為例來(lái)解釋各種OCP方案。

實(shí)現(xiàn)電流限制需要獲得電感器電流信息。最常用的電流檢測(cè)方案包括電阻器電流檢測(cè)、電感器DCR電流檢測(cè)、功率MOSFET RDSon電流檢測(cè)和SenseFET電流檢測(cè)。其中，SenseFET電流檢測(cè)由于精度高和功率損耗低到可以忽略不計(jì)，因而廣泛用于開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，如Intersil的ISL85005和ISL85014同步降壓穩(wěn)壓器。SenseFET電流檢測(cè)基于匹配器件原理，其中電流被分成功率FET和senseFET，大小與其阻值成反相關(guān)。通常采用非常高的功率FET阻值- SenseFET阻值比率，這是因?yàn)镾enseFET電流只是功率 FET電流的一小部分。因此，可以使用信號(hào)電平電阻器來(lái)檢測(cè)電流而不產(chǎn)生顯著的功率損耗。電源設(shè)計(jì)工程師能夠?qū)崿F(xiàn)的逐周期電流限制OCP的第一級(jí)是A）峰值電流限制，然后是B）反向電流限制。稍后我們會(huì)討論如何實(shí)現(xiàn)針對(duì)持續(xù)故障事件的二級(jí)保護(hù)。

A. 峰值電流限制
在峰值CMC降壓轉(zhuǎn)換器中，開(kāi)關(guān)周期由時(shí)鐘信號(hào)開(kāi)啟。然后高邊開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，電感器電流開(kāi)始斜坡上升。隨后檢測(cè)電感器電流并與控制信號(hào)（VCOMP）比較。當(dāng)電感器電流達(dá)到VCOMP時(shí)，高邊開(kāi)關(guān)關(guān)斷，這時(shí)電感器電流下降，直到下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始。通過(guò)VCOMP箝制可將峰值電感器電流限制在期望水平。圖2顯示的是正常和電流限制工作模式下的電流波形。

理論上來(lái)講，一旦電感器電流達(dá)到峰值電流限制閾值，高邊開(kāi)關(guān)導(dǎo)通脈沖就會(huì)立即終止，以使電感器電流低于峰值電流限制閾值。但實(shí)際PWM控制器通常具有最小導(dǎo)通時(shí)間限制。在時(shí)鐘信號(hào)開(kāi)啟新的開(kāi)關(guān)周期后，高邊開(kāi)關(guān)關(guān)斷之前必須在不少于最小導(dǎo)通時(shí)間的一段時(shí)間內(nèi)保持導(dǎo)通，即使電感器電流已達(dá)到峰值電流限制閾值也不例外。

在短路故障事件中，極低輸出電壓會(huì)導(dǎo)致電感器電流在高邊開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)間內(nèi)緩慢衰減。降壓轉(zhuǎn)換器必須在非常小的占空比條件下工作，以確保電感器電流低于峰值電流限制閾值。如果控制回路要求的導(dǎo)通時(shí)間小于最小導(dǎo)通時(shí)間，則控制器仍然會(huì)保持高邊開(kāi)關(guān)導(dǎo)通最小導(dǎo)通時(shí)間。因此，電感器電流在通過(guò)每個(gè)開(kāi)關(guān)周期時(shí)持續(xù)增加，最終超出可編程峰值電流限制閾值?？梢圆捎脙煞N不同的方法來(lái)防止這種由于最小導(dǎo)通時(shí)間限制而造成的電流失控：實(shí)施谷值電流限制電路，和/或開(kāi)關(guān)頻率折返（foldback）功能（作為對(duì)峰值電流限制的補(bǔ)充保護(hù)）。

谷值電流限制：提供額外一層保護(hù)?？梢酝ㄟ^(guò)在低邊開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)檢測(cè)電感器電流來(lái)實(shí)施谷值電流限制。如果在開(kāi)關(guān)周期結(jié)束時(shí)所檢測(cè)的電流超過(guò)谷值電流限制閾值，則高邊開(kāi)關(guān)將跳過(guò)下一個(gè)周期并保持關(guān)斷狀態(tài)，直到電流衰減到低于谷值電流限制閾值。從而可避免前面討論的由于最小導(dǎo)通時(shí)間導(dǎo)致的電流失控情形。圖3顯示的例子解釋了這種保護(hù)機(jī)制。

開(kāi)關(guān)頻率折返：這是消除在短路故障事件中由于最小導(dǎo)通時(shí)間而造成的電流失控風(fēng)險(xiǎn)的另一種有效方案。當(dāng)檢測(cè)到過(guò)流事件時(shí)，峰值電流限制電路會(huì)限制占空比，從而減小輸出電壓。當(dāng)反饋電壓和/或?qū)〞r(shí)間低于編程好的閾值時(shí)，頻率折返功能會(huì)降低開(kāi)關(guān)頻率。通過(guò)降低頻率來(lái)滿足苛刻的占空比要求可以實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的導(dǎo)通時(shí)間。使頻率保持足夠低的水平（使得要求苛刻的導(dǎo)通時(shí)間大于最小導(dǎo)通時(shí)間）即可避免電流失控情況。降低頻率還會(huì)實(shí)現(xiàn)更大電感器電流紋波和更低的輸出電流。頻率將在短路事件消除后自動(dòng)恢復(fù)到正常值。

B. 反向電流限制
在具有二極管整流的非同步降壓轉(zhuǎn)換器中，電感器電流始終為正。相反，當(dāng)同步降壓轉(zhuǎn)換器在強(qiáng)制連續(xù)導(dǎo)電模式（FCCM）下工作時(shí)，電感器電流可沿任一方向流過(guò)低邊MOSFET。如果輸出電壓意外上升到超過(guò)輸出設(shè)置點(diǎn)，則將有一個(gè)大的負(fù)電流從VOUT流向PHASE節(jié)點(diǎn)，并通過(guò)低邊MOSFET流向地面。過(guò)大反向電流還會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)壓器故障。

如上文所討論的，峰值電流限制和谷值電流限制只能限制正向電流，但不能限制反向電流。這時(shí)就需要額外的反向電流限制電路。在有反向電流流過(guò)低邊MOSFET，并超過(guò)預(yù)設(shè)的反向電流限制閾值時(shí)，強(qiáng)制關(guān)斷低邊MOSFET。

二級(jí)OCP方案

逐周期電流限制通過(guò)將最大電流限制在預(yù)設(shè)水平，提供迅速的第一級(jí)保護(hù)。在連續(xù)最大電流條件下工作的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器會(huì)面臨溫度大幅上升，有些情況下甚至可能達(dá)到熱關(guān)斷閾值。發(fā)生這種情況時(shí)，熱關(guān)斷保護(hù)電路將關(guān)斷開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，防止其受損。當(dāng)穩(wěn)壓器關(guān)斷時(shí)，溫度逐步下降。在穩(wěn)壓器充分冷卻后，自動(dòng)從熱關(guān)斷狀態(tài)中恢復(fù)。在持續(xù)故障事件中，穩(wěn)壓器在峰值電流限制和熱關(guān)斷之間循環(huán)，這會(huì)對(duì)穩(wěn)壓器的長(zhǎng)期可靠性帶來(lái)?yè)p害。這時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮實(shí)施兩種二級(jí)保護(hù)機(jī)制（打嗝模式或閉鎖模式），以消除這個(gè)顧慮并改善MTBF。

打嗝模式保護(hù)：這種保護(hù)通常用逐周期峰值電流限制和周期計(jì)數(shù)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。在檢測(cè)到過(guò)流事件時(shí)啟動(dòng)打嗝工作模式。逐周期限制電路隨即做出反應(yīng)限制峰值電流。然后周期計(jì)數(shù)電路對(duì)開(kāi)關(guān)周期計(jì)數(shù)。在一定數(shù)量的連續(xù)周期過(guò)后，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器關(guān)斷一定時(shí)間，然后嘗試再次啟動(dòng)。如果過(guò)流事件已消除，則開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器將啟動(dòng)并回到正常工作狀態(tài)。否則，它將檢測(cè)到另一個(gè)過(guò)流事件并再次關(guān)斷，并重復(fù)之前的循環(huán)。

如圖4所示，在持續(xù)故障條件下，穩(wěn)壓器的工作時(shí)間只占打嗝周期的一小部分。在打嗝模式期間，功率損耗和溫度都低很多。因此，與僅采用逐周期電流限制的穩(wěn)壓器相比，電源可靠性得到了提升。

閉鎖模式保護(hù)：像逐周期電流限制方案一樣，打嗝模式OCP也使穩(wěn)壓器能在故障消除后重新啟動(dòng)。雖然自動(dòng)恢復(fù)功能在許多應(yīng)用中很受歡迎，但閉鎖模式保護(hù)在其他一些應(yīng)用中更受青睞，例如在電池供電系統(tǒng)中用于防止電池電量在持續(xù)故障條件下耗竭。如圖5所示，閉鎖模式保護(hù)會(huì)關(guān)斷穩(wěn)壓器，并在檢測(cè)到過(guò)流事件時(shí)將其鎖定。重新啟動(dòng)穩(wěn)壓器需要打開(kāi)ENABLE或 VIN。

許多先進(jìn)的集成式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器都具有內(nèi)置OCP電路，以保護(hù)自身不受過(guò)量電流和功率損耗的危害。不同的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器可能采用不同的保護(hù)方案。來(lái)自Intersil的ISL85003、ISL85005和ISL85005A同步降壓穩(wěn)壓器具有內(nèi)部峰值電流限制、谷值電流限制和反向電流限制功能，以提供全面的保護(hù)。ISL85009、ISL85012和ISL85014同步開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器也具有這些電流限制功能。此外，他們還提供頻率折返功能，以及打嗝模式和閉鎖模式保護(hù)選項(xiàng)，來(lái)全面地保護(hù)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器和提升系統(tǒng)可靠性。

結(jié)論

電源設(shè)計(jì)工程師應(yīng)當(dāng)根據(jù)其實(shí)際應(yīng)用要求做出合適的選擇。逐周期峰值電流限制通過(guò)限制電感器峰值電流為開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器提供快速保護(hù)，保護(hù)其不受過(guò)量電流的危害。為避免峰值電流限制由于最小導(dǎo)通時(shí)間限制而失效，可考慮采用附加的谷值電流限制和/或頻率折返功能。同時(shí)不要忘記，反向電流限制可防止大的負(fù)灌電流。作為第二級(jí)保護(hù)，打嗝模式保護(hù)可通過(guò)減小功率損耗和降低溫度升幅來(lái)提升系統(tǒng)可靠性。如果在持續(xù)故障條件下不需要自動(dòng)恢復(fù)特性，應(yīng)當(dāng)選擇閉鎖模式保護(hù)。

關(guān)于作者
Haifeng Fan是瑞薩子公司Intersil的電源管理產(chǎn)品首席應(yīng)用工程師。他負(fù)責(zé)Intersil開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)品的新產(chǎn)品定義、硅驗(yàn)證和客戶技術(shù)支持。Haifeng擁有美國(guó)佛羅里達(dá)州立大學(xué)（塔拉哈西）的電子工程博士學(xué)位，浙江大學(xué)電子工程碩士學(xué)位和華中科技大學(xué)的電子工程學(xué)士學(xué)位。