了解谷电流限制

1.前言

电流限制的概念似乎非常简单：当我们增加 DC/DC 转换器的输出电流时，在某个点上不可能进一步增加它。这个水平是电流限制，这自然会导致电流被限制在某个特定峰值或最大水平的想法。

考虑到这一点，谷电流限制的概念似乎很违反直觉。为了更好地理解它，让我们先来看看峰值电流限制。

2.峰值电流限制

图 1 显示了峰值电流限制的开关节点电压、负载电流和电感器电流波形。

图 1：峰值电流限制示例

对于 DC/DC 降压转换器，输出电流由两部分组成：直流负载电流和交流纹波分量。直流分量是输送到负载的电流，而交流电流则被输出电容滤除。

直流分量只是 Vout/Rload。等式 1 将交流分量表示为峰峰值电感器电流：

其中 Vin 是输入电压，Vout 是输出电压，Lout 是输出电感，Fsw 是转换器开关频率。

在转换器导通期间，开关或电感器电流上升到 Iout + ILp-p/2。在关断期间，电流减小到 Iout – Ilp-p/2，输出电流为平均电流。对于峰值电流限制，将开关电流与导通期间的电流限制值进行比较。

在图 1 所示的波形中，在时间 A 期间，转换器以固定恒定负载电流进行调节。在时间 B 期间，负载电流逐渐上升到电流限制设定点。转换器通过增加占空比来增加每个连续开关周期中的输出电流。在时间 C 期间，转换器以电流限制运行。当电流达到极限时，导通时间提前终止，关断时间开始。在关断时间内，电流降低回到限值以下。在下一个开关周期开始时，电流再次开始上升。如果在此周期内达到电流限制，则导通时间再次提前终止。这种类型的电流限制是逐周期峰值电流限制。

降压转换器的开关电流对于谷值电流限制和峰值电流限制是相同的。

3.谷电流限制

图 2 显示了谷值电流限制的开关节点电压、负载电流和电感器电流波形。

图 2：使用恒定导通时间控制的谷值电流限制示例

不是在导通期间监测电流，而是在关断期间监测电流。如上所述，电流在关断时间内减小。在开关周期结束时，将开关电流与谷值电流限值进行比较。

在图 2 所示的时间 A 期间的波形中，转换器以固定恒定负载电流进行调节。在时间 B 期间，负载电流逐渐上升到电流限制设定点。由于这是一个恒定导通时间示例，转换器通过减少关断时间来增加占空比来增加每个连续开关周期中的输出电流。在时间 C 期间，转换器以电流限制运行。当电流高于限值时，关断时间延长，直到开关电流等于谷值电流限值；然后允许下一个开关周期开始。

从根本上说，峰值电流限制和谷值电流限制都是通过相对于导通时间增加关断时间来实现的。在峰值电流限制的情况下，导通时间减少，关断时间增加相同的量，保持设定的开关频率。谷值电流限制保持导通时间恒定，同时只增加关断时间，以便在电流限制操作期间开关频率降低。

4.优点和缺点

现在我们了解了基本的工作原理，很容易看出每种类型的电流限制何时是合适的。使用峰值电流模式控制的转换器通常会使用峰值电流限制。对于峰值电流模式控制，开关电流波形本质上是脉宽调制 (PWM) 斜坡波形。导通期间的上升电流与对应于所需负载电流的误差放大器输出成正比的电平进行比较。当开关电流达到该水平时，导通时间终止。

用于设置占空比的相同电路也可以通过允许控制电压的上限来检测电流限制。峰值电流限制有一些缺点。主要缺点是“消隐时间”。在导通时间开始时，开关节点波形的上升时间非常快。可能存在相当大的过冲和振铃。在此期间，无法准确监控电流，因此通常会指定最短导通时间或消隐时间。在此期间，电流不受监控，可能会超过限制。

我们可以看到谷值电流限制保持导通时间恒定，同时延长关断时间以将电流降低到限制以下，因此很自然会想到在使用恒定导通时间控制模式的转换器中使用这种类型的电流限制。恒定导通时间控制将导通时间设置为固定值，并在输出电压的反馈部分低于预设电平时使用迟滞比较器结束关断时间。如果电流高于限值，谷值电流限值将覆盖该控制信号，从而增加关断时间。

这是谷值电流限制相对于峰值电流的优势。谷值电流限制在关断时间结束时应用，在任何开关转换之前。不需要任何消隐时间。

另一个考虑因素是感测电路的物理位置。对于电流限制，有时可能无法直接感测实际电流。相反，可以监测与电流成比例的电压。该电压可以直接来自相应的开关，或更典型地来自较小的镜像元件。对于电流模式控制，该感测元件位于高侧开关处，并相对于输入电压轨进行感测。输入电压可能会在很大范围内变化并且具有显着的纹波。

另一方面，谷值电流限制检测低侧开关电流。传感元件以更安静和恒定的电路接地为参考。虽然这是一个优势，但它也有很大的局限性。由于谷值电流限制检测低侧开关处的电流，因此它通常仅限于同步转换器。

谷流限制真的没有什么大不了的。它与其他类型的电流限制一样有效。转换器使用的控制模式主要决定了电流限制的类型。