1、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
2、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,
3、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
4、,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
5、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
6、 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(CL)会由于 tD 的影响而低于 2.5A。然而,使用新方法并将 ILR 设定在 2.5A,IOUT(CL)便可如图 5 所示达到 2.5A。于是,传统方法中出现的问题便能够在该方案中解决。
