峰值電流限流的優(yōu)化方案

摘要：通過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),有效閾值削減問題通常難以避免。本文將針對(duì)這一問題,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,通常采用比較器來檢測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)?；谶@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?？紤]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 。毫無疑問,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帶來一些問題。比如說,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。