同步降壓穩壓器***用于工業(yè)和基礎設施應用，可將12V電源軌步降至適合微控制器、FPGA、內存和外設I/O的負載點(diǎn)輸入，相當小可低至0.6V。為防止這些開(kāi)關(guān)穩壓器由于過(guò)量電流而損壞，過(guò)流保護（OCP）功能非常關(guān)鍵。一般會(huì )采用逐周期電流限制，因為響應速度快。該方案使開(kāi)關(guān)穩壓器持續以相當大負載電流工作，但同時(shí)會(huì )產(chǎn)生過(guò)量的熱，并有可能降低系統可靠性。使用二級保護方案（如打嗝模式和閉鎖模式）能解決可靠性問(wèn)題，同時(shí)改善平均故障間隔時(shí)間（MTBF）。

本文討論了幾種流行的OCP方案，并解釋了這些方案的工作原理，及其在降壓穩壓器中的實(shí)現方式。另外我們還將討論電源設計工程師所面對的實(shí)際考慮事項，幫助他們?yōu)槠鋺米龀鱿喈敽线m的選擇。

采用逐周期電流限制的過(guò)流保護

電流模式控制（CMC）降壓轉換器因為有許多優(yōu)勢而在近年來(lái)變得非常流行。其主要優(yōu)勢之一是其只需通過(guò)COMP電壓箝制即可實(shí)現內在的逐周期電流限制。圖1顯示了一種峰值CMC降壓轉換器的框圖，我們以它為例來(lái)解釋各種OCP方案。

實(shí)現電流限制需要獲得電感器電流信息。相當常用的電流檢測方案包括電阻器電流檢測、電感器DCR電流檢測、功率MOSFET  RDSon電流檢測和SenseFET電流檢測。其中，SenseFET電流檢測由于精度高和功率損耗低到可以忽略不計，因而***用于開(kāi)關(guān)穩壓器，如Intersil的ISL85005和ISL85014同步降壓穩壓器。SenseFET電流檢測基于匹配器件原理，其中電流被分成功率FET和senseFET，大小與其阻值成反相關(guān)。通常采用非常高的功率FET阻值- SenseFET阻值比率，這是因為SenseFET電流只是功率 FET電流的一小部分。因此，可以使用信號電平電阻器來(lái)檢測電流而不產(chǎn)生***的功率損耗。電源設計工程師能夠實(shí)現的逐周期電流限制OCP的***級是A）峰值電流限制，然后是B）反向電流限制。稍后我們會(huì )討論如何實(shí)現針對持續故障事件的二級保護。

A. 峰值電流限制

在峰值CMC降壓轉換器中，開(kāi)關(guān)周期由時(shí)鐘信號開(kāi)啟。然后高邊開(kāi)關(guān)導通，電感器電流開(kāi)始斜坡上升。隨后檢測電感器電流并與控制信號（VCOMP）比較。當電感器電流達到VCOMP時(shí)，高邊開(kāi)關(guān)關(guān)斷，這時(shí)電感器電流下降，直到下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始。通過(guò)VCOMP箝制可將峰值電感器電流限制在期望水平。圖2顯示的是正常和電流限制工作模式下的電流波形。

理論上來(lái)講，一旦電感器電流達到峰值電流限制閾值，高邊開(kāi)關(guān)導***沖就會(huì )立即終止，以使電感器電流低于峰值電流限制閾值。但實(shí)際PWM控制器通常具有相當小導通時(shí)間限制。在時(shí)鐘信號開(kāi)啟新的開(kāi)關(guān)周期后，高邊開(kāi)關(guān)關(guān)斷之前必須在不少于相當小導通時(shí)間的一段時(shí)間內保持導通，即使電感器電流已達到峰值電流限制閾值也不例外。

在短路故障事件中，極低輸出電壓會(huì )導致電感器電流在高邊開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)間內緩慢衰減。降壓轉換器必須在非常小的占空比條件下工作，以確保電感器電流低于峰值電流限制閾值。如果控制回路要求的導通時(shí)間小于相當小導通時(shí)間，則控制器仍然會(huì )保持高邊開(kāi)關(guān)導通相當小導通時(shí)間。因此，電感器電流在通過(guò)每個(gè)開(kāi)關(guān)周期時(shí)持續增加，**終超出可編程峰值電流限制閾值?？梢圆捎脙煞N不同的方法來(lái)防止這種由于相當小導通時(shí)間限制而造成的電流失控：實(shí)施谷值電流限制電路，和/或開(kāi)關(guān)頻率折返（foldback）功能（作為對峰值電流限制的補充保護）。

谷值電流限制：提供額外一層保護?？梢酝ㄟ^(guò)在低邊開(kāi)關(guān)導通時(shí)檢測電感器電流來(lái)實(shí)施谷值電流限制。如果在開(kāi)關(guān)周期結束時(shí)所檢測的電流超過(guò)谷值電流限制閾值，則高邊開(kāi)關(guān)將跳過(guò)下一個(gè)周期并保持關(guān)斷狀態(tài)，直到電流衰減到低于谷值電流限制閾值。從而可避免前面討論的由于相當小導通時(shí)間導致的電流失控情形。

開(kāi)關(guān)頻率折返：這是***在短路故障事件中由于相當小導通時(shí)間而造成的電流失控風(fēng)險的另一種有效方案。當檢測到過(guò)流事件時(shí)，峰值電流限制電路會(huì )限制占空比，從而減小輸出電壓。當反饋電壓和/或導通時(shí)間低于編程好的閾值時(shí)，頻率折返功能會(huì )降低開(kāi)關(guān)頻率。通過(guò)降低頻率來(lái)滿(mǎn)足苛刻的占空比要求可以實(shí)現更長(cháng)的導通時(shí)間。使頻率保持足夠低的水平（使得要求苛刻的導通時(shí)間大于相當小導通時(shí)間）即可避免電流失控情況。降低頻率還會(huì )實(shí)現更大電感器電流紋波和更低的輸出電流。頻率將在短路事件***后自動(dòng)**到正常值。

B. 反向電流限制

在具有二極管整流的非同步降壓轉換器中，電感器電流始終為正。相反，當同步降壓轉換器在強制連續導電模式（FCCM）下工作時(shí)，電感器電流可沿任一方向流過(guò)低邊MOSFET。如果輸出電壓意外上升到超過(guò)輸出設置點(diǎn)，則將有一個(gè)大的負電流從VOUT流向PHASE節點(diǎn)，并通過(guò)低邊MOSFET流向地面。過(guò)大反向電流還會(huì )導致穩壓器故障。

如上文所討論的，峰值電流限制和谷值電流限制只能限制正向電流，但不能限制反向電流。這時(shí)就需要額外的反向電流限制電路。在有反向電流流過(guò)低邊MOSFET，并超過(guò)預設的反向電流限制閾值時(shí)，強制關(guān)斷低邊MOSFET。

二級OCP方案

逐周期電流限制通過(guò)將相當大電流限制在預設水平，提供迅速的***級保護。在連續相當大電流條件下工作的開(kāi)關(guān)穩壓器會(huì )面臨溫度大幅上升，有些情況下甚至可能達到熱關(guān)斷閾值。發(fā)生這種情況時(shí)，熱關(guān)斷保護電路將關(guān)斷開(kāi)關(guān)穩壓器，防止其受損。當穩壓器關(guān)斷時(shí)，溫度逐步下降。在穩壓器充分冷卻后，自動(dòng)從熱關(guān)斷狀態(tài)中**。在持續故障事件中，穩壓器在峰值電流限制和熱關(guān)斷之間循環(huán)，這會(huì )對穩壓器的長(cháng)期可靠性帶來(lái)?yè)p害。這時(shí)應當考慮實(shí)施兩種二級保護機制（打嗝模式或閉鎖模式），以***這個(gè)顧慮并改善MTBF。

打嗝模式保護：這種保護通常用逐周期峰值電流限制和周期計數電路來(lái)實(shí)現。在檢測到過(guò)流事件時(shí)啟動(dòng)打嗝工作模式。逐周期限制電路隨即做出反應限制峰值電流。然后周期計數電路對開(kāi)關(guān)周期計數。在一定數量的連續周期過(guò)后，開(kāi)關(guān)穩壓器關(guān)斷一定時(shí)間，然后嘗試再次啟動(dòng)。如果過(guò)流事件已***，則開(kāi)關(guān)穩壓器將啟動(dòng)并回到正常工作狀態(tài)。否則，它將檢測到另一個(gè)過(guò)流事件并再次關(guān)斷，并重復之前的循環(huán)。

在持續故障條件下，穩壓器的工作時(shí)間只占打嗝周期的一小部分。在打嗝模式期間，功率損耗和溫度都低很多。因此，與*采用逐周期電流限制的穩壓器相比，電源可靠性得到了提升。

閉鎖模式保護：像逐周期電流限制方案一樣，打嗝模式OCP也使穩壓器能在故障***后重新啟動(dòng)。雖然自動(dòng)**功能在許多應用中很受歡迎，但閉鎖模式保護在其他一些應用中更受青睞，例如在電池供電系統中用于防止電池電量在持續故障條件下耗竭。如圖5所示，閉鎖模式保護會(huì )關(guān)斷穩壓器，并在檢測到過(guò)流事件時(shí)將其鎖定。重新啟動(dòng)穩壓器需要打開(kāi)ENABLE或 VIN。

許多**的集成式開(kāi)關(guān)穩壓器都具有內置OCP電路，以保護自身不受過(guò)量電流和功率損耗的危害。不同的開(kāi)關(guān)穩壓器可能采用不同的保護方案。來(lái)自Intersil的ISL85003、ISL85005和ISL85005A同步降壓穩壓器具有內部峰值電流限制、谷值電流限制和反向電流限制功能，以提供***的保護。ISL85009、ISL85012和ISL85014同步開(kāi)關(guān)穩壓器也具有這些電流限制功能。此外，他們還提供頻率折返功能，以及打嗝模式和閉鎖模式保護選項，來(lái)***地保護開(kāi)關(guān)穩壓器和提升系統可靠性。

結論

電源設計工程師應當根據其實(shí)際應用要求做出合適的選擇。逐周期峰值電流限制通過(guò)限制電感器峰值電流為開(kāi)關(guān)穩壓器提供快速保護，保護其不受過(guò)量電流的危害。為避免峰值電流限制由于相當小導通時(shí)間限制而失效，可考慮采用附加的谷值電流限制和/或頻率折返功能。同時(shí)不要忘記，反向電流限制可防止大的負灌電流。作為第二級保護，打嗝模式保護可通過(guò)減小功率損耗和降低溫度升幅來(lái)提升系統可靠性。如果在持續故障條件下不需要自動(dòng)**特性，應當選擇閉鎖模式保護。

關(guān)于作者

Haifeng Fan是瑞薩子公司Intersil的電源管理產(chǎn)品首席應用工程師。他負責Intersil開(kāi)關(guān)穩壓器產(chǎn)品的新產(chǎn)品定義、硅驗證和客戶(hù)技術(shù)支持。Haifeng擁有美國佛羅里達州立大學(xué)（塔拉哈西）的電子工程博士學(xué)位，浙江大學(xué)電子工程碩士學(xué)位和華中科技大學(xué)的電子工程學(xué)士學(xué)位。

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