峰值电流限流的优化方案

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< p> 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。[!--empirenews.page--]

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(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。