峰值电流模式的工作原理就是外环输出电压的反馈信号,作为内环电流信号的给定,送到PWM比较器的输入端,每个开关周期,峰值电流信号RS*IS从初始值增加到等于(顶到)输出电压的反馈信号值VCOMP,主开关管关断,从而调节系统的占空比,在输入电压和输出电流变化时,维持输出电压的稳定,如图1所示。
图1 峰值电流模式控制器AOZ1284
例如,BUCK变化器输出电压的误差运算放大器,通常其输出电压有动态调节的范围,也就是对应着最小输出负载电流的最小电压值VCOMP(Min),以及对应着最大输出负载电流的最大电压值VCOMP(Max)。如果输出电流增加到过载,超出系统设计的最大输出电流,电压误差运算放大器的输出电压就会增加到最大输出电压值VCOMP(Max)并保持不变,如图2所示。系统每一次开关工作,峰值电流检测信号的电压值RS*IS,每一次顶到VCOMP(Max) 值,主开关管就会关断,形成经典的逐个脉冲限流保护(Cycle by Cycle Current Limit),也称为脉宽限流保护,这种保护功能是峰值电流模式固有的优点。
图2 输出过载的电感电流波形
为了防止误触发,峰值电流模式系统都有前沿消隐时间功能Leading Edge Blanking LEB,例如,如果LEB为200nS,就是在200nS时间内,系统对检测的电流信号不起作用。
在正常工作时,电感的激磁和去磁电压分别为:
如果输出短路,输出电压几乎为0,由上面公式:电感的激磁电流变化率di/dt急剧变大,电感的去磁电流变化率di/dt变得非常缓慢,因此,每一个开关周期结束后,电感的起始激磁电流不断增加,一点一点的顶(拱)到接近系统设定的逐个脉冲限流保护的最大电流VCOMP(Max)。
然后,当系统进入到下一个开关周期,电感的起始激磁电流从接近于VCOMP(Max)值开始增加,理论上,当电感的电流(峰值电流)增加到等于VCOMP(Max)时,主开关管应该关断。
实际工作过程中,电感的激磁电流变化率di/dt非常大,电感电流从起始值增加到VCOMP(Max)的时间非常短,远小于LEB是200nS时间,那么,系统的电流检测信号不会起作用,电感电流就会继续保持增加,直到电感电流上升时间等于LEB时,系统才响应电流检测信号,关闭主开关管,如图3所示。
图3 输出短路的电感电流波形
可以看到:在短路工作条件下,电感实际的工作电流已经大于系统设定的逐个脉冲限流保护值,因此,逐个脉冲限流功能无法提供有效的过流保护。
在一定过载范围内,输出电压的跌落幅度不大,电感没有饱和,系统占空比仍然在调节范围内,逐个脉冲限流功能可以提供有效的保护。此时,系统在输出过载电流下工作,温度升高,对于单芯片集成的方案,温度高于芯片的OTP保护点,系统就会停止工作。分立方案,芯片OTP功能无法提供这种保护。另外,OTP响应时间非常慢,无法提供瞬时短路动态大电流的保护。
逐个脉冲限流功能无法提供有效过流保护最主要原因在于以下2点:
1、输出短路时,输出电压非常低,电感去磁电流变化率di/dt非常小,导致下一个开关周期开始时电感激磁的起始电流不断增加,电感电流也不断增加,I2>I1,极端情况下,电感有可能会饱和。
2、系统每个开关周期,主开关管都必须导通的一个最小的时间,即LEB时间,电感的激磁电流在这个时间段,会一直保持上升而不受控。电感饱和时,电感值L减少到非常低值,电感激磁的电流变化率di/dt会进一步急剧增加,在非常短的LEB时间内,电感电流急剧增加到非常高的值,直接导致系统损坏。
每个开关周期结束时,如果电感的去磁电流的最低值I2,能够回到开关周期开始时,电感的激磁电流的起始值I1,那么电感的电流就不会一直增加。由电感电流去磁的公式,增加其去磁时间,也就是延长下管导通时间,直到电感电流下降到等于开关周期开始时的电流值,I1=I2‘,如图4所示,这样就可以实现这个功能,避免电感电流的不断增。
图4 输出短路频率折返功能
下管导通时间Toff延长,Ts=Ton+Toff,系统工作的开关周期变大,工作频率也就会降低,这种降低频率的保护方法,称为频率折返功能Frequency Foldback。