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。

　　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。