峰值電流限流的優(yōu)化方案

摘要：通過(guò)采用峰值電流限流的方法,電流限制功能可以使電感電流在超出閾值時(shí)抑制電源轉(zhuǎn)換器的開關(guān)電流。但是,由于比較器延時(shí),有效閾值削減問(wèn)題通常難以避免。本文將針對(duì)這一問(wèn)題,介紹一種峰值電流限流的優(yōu)化方案。

引言

電流限制是開關(guān)式電源轉(zhuǎn)換器的一個(gè)重要保護(hù)功能,它可以在電流限制模式下限制可用的輸出電流,以防止出現(xiàn)系統(tǒng)故障。峰值電流限制是目前業(yè)內(nèi)普遍采用的電流限制方法。每當(dāng)電感的電流IL超出閾值IV時(shí),電源轉(zhuǎn)換器的開關(guān)(如圖1所示)便會(huì)關(guān)斷,以制止電流從輸入電壓源VIN注入,直至IL小于IV時(shí),開關(guān)才會(huì)重新開通。由于輸出電流IOUT總是等于IL的平均值(在工作期間IL呈線型紋波),故在電流限制模式下的IOUT(CL,DES) 為：
(1)

式中的IL(RIPPLE)是IL紋波的峰峰值。

一般而言,通常采用比較器來(lái)檢測(cè)IL是否超出IV,以決定關(guān)斷或重新開通?？墒?比較器會(huì)帶來(lái)延時(shí)tD,影響閾值的有效值。如圖2所示,比較器在t1時(shí)刻檢測(cè)到IL< p> V,可是偶遇延時(shí)tD,開關(guān)會(huì)在t2時(shí)刻被恢復(fù)。基于這個(gè)原因,有效閥值IN便會(huì)低于IV,這樣,實(shí)際的輸出IOUT(CL)為：

(2)

當(dāng)IN<> V時(shí),上述數(shù)值便會(huì)小于IOUT(CL,DES）。結(jié)果,在比較器中的tD會(huì)消減IOUT(CL) 。

進(jìn)一步研究,可發(fā)現(xiàn)IN會(huì)受電感L的影響。考慮到IL的電流變化率為：
(3)
式中的t是時(shí)間,而VOUT是電源轉(zhuǎn)換器(如圖1所示)的輸出電壓。當(dāng)L減小時(shí),便會(huì)相應(yīng)減少。由于tD不會(huì)受ILS、L和VOUT影響,并且VOUT也不受L影響,所以IN會(huì)隨著L而下降。這種關(guān)系可用下式表示：
(4)

圖 1 降壓電源轉(zhuǎn)換器

從式(4)中可清楚地看到IN-IV由增大L或減少tD來(lái)降低?？墒歉呒?jí)電源轉(zhuǎn)換器為減少元件尺寸,已傾向于朝著高頻化發(fā)展。因此,預(yù)計(jì)L會(huì)比較小。另一方面,tD的減少會(huì)導(dǎo)致比較器的轉(zhuǎn)換速率增大,這會(huì)增加功率的損耗,從而降低整體的轉(zhuǎn)換效率。再者,工作頻率有可能超出1MHz,使開關(guān)周期達(dá)至1ms 。毫無(wú)疑問(wèn),tD的減少意味著比較器的帶寬很高,這在現(xiàn)實(shí)中很難實(shí)現(xiàn)。由此可以看出,在這種情況下,較小的L會(huì)被使用,加上tD也與開關(guān)周期相匹配,所以IN將會(huì)在工作頻率較高時(shí)降低。結(jié)果,IOUT(CL)會(huì)在工作頻率較高時(shí)明顯小于IOUT(CL,DES),并會(huì)在低工作頻率時(shí)維持正常水平。盡管IV可設(shè)定為較高值,以確保IOUT(CL)可達(dá)到IOUT(CL, DES),但這種超常的設(shè)計(jì)會(huì)為MOSFET帶來(lái)一些問(wèn)題。比如說(shuō),為了在電流限制模式下處理更多的電流,需要更大的電感和電路板尺寸。前者將會(huì)增加整體電路的大小和成本,而后者則會(huì)增加電路的生產(chǎn)成本。[!--empirenews.page--]

圖2 電感器電流波形(檢測(cè)到IL

優(yōu)化方案

要減少IOUT(CL)的下降,建議使用一個(gè)可變的IV來(lái)取代一個(gè)固定的IV。IV的變化取決于IL(RIPPLE)的平均值：即輸出電流IOUT。在電流限制模式下,假如IOUT(CL)由于tD而減少,那么IV將會(huì)增加,直至IOUT(CL)達(dá)到ILR參考值。這樣,IOUT(CL)將不會(huì)再受到tD的影響。優(yōu)化提案的框圖如圖3所示。當(dāng)中采用一個(gè)低通濾波器(LPF)來(lái)均化IL及其輸出,并且給出一個(gè)誤差放大器的ILR參考值。采用一個(gè)積分器,通過(guò)誤差放大器的輸出可以產(chǎn)生一個(gè)可變IV。結(jié)果,I可達(dá)到一個(gè)令I(lǐng)OUT(CL)與ILR相等的值,而IOUT(CL)也可脫離tD的影響。

圖 3 改良方案的模塊圖

圖 4 傳統(tǒng)方案的模擬結(jié)果

圖 5 改良方案的模擬結(jié)果

為了說(shuō)明這個(gè)方案,圖1中的降壓轉(zhuǎn)換器會(huì)采用這些配置：L=20mH、COUT=47mF、RL值在2.64W(正常模式)~1.1W(電流限制模式)間轉(zhuǎn)換,并會(huì)使用一個(gè)tD=100ns的比較器,而IOUT(CL,DES)和IL(RIPPLE)分別是2.5A和0.3A。不過(guò),如果使用傳統(tǒng)的峰值電流限制方法,那么式(1)中的IV便會(huì)設(shè)定為2.35A,傳統(tǒng)方法的模擬結(jié)果如圖4所示。由此可以看到,IOUT(CL)會(huì)由于tD的影響而低于2.5A。然而,使用新方法并將ILR設(shè)定在2.5A,IOUT(CL)便可如圖5所示達(dá)到2.5A。于是,傳統(tǒng)方法中出現(xiàn)的問(wèn)題便能夠在該方案中解決。