干货｜谷底电流限流保护方案分析

电子工程世界 2022-12-06 07:30

【应用手册】TI 全新MCU及C29内核的电动汽车应用方案 如何增强电动汽车的实时控制能力？

为了滤除电流检测信号前沿尖峰，现在的峰值电流模式控制器都具有前沿消隐时间（Leading Edge Blanking LEB），这个设置会导致二个问题：

1、输出短路时，无法提供可靠的过流保护；

2、低占空比应用，如19V输入、1V输出，800kHz工作频率，导通时间小于LEB时间，系统无法正确调节，如图1所示；另外，在这种应用中，输出短路时，输出回路的阻抗和短路电流的乘积所得的电压值，很难降低到低于0.5VFB、更不用说0.2VFB，因此，输出短路的频率折返功能将无法起作用。

Is*Rout > 0.2*VFB

Is：短路电路；

Rout：输出回路电阻。

图1 过小导通时间系统无法正确调节

低占空比应用，BUCK变换器上管导通时间短，下管导通时间长，对于峰值电流模式，在非常短的上管导通时间内，无法及时检测到电流信号；但是，如果检测下管电流，就有足够时间准确的检测到电流信号。基于这种电流检测的控制方式，称为谷底电流PWM控制方式，以及COT固定导通时间控制方式。下面以COT控制方式为例，说明它的限流保护原理。

COT控制方式，就是检测下管电流，也就是输出电感锯齿波的谷底(点)电流。通常，在谷底电流点时刻，下管关断，经过短时的死区时间后，上管再开通。

谷底电流检测，可以检测下管功率MOSFET的导通压降，也就是使用下管的导通电阻RDS(ON)，作为电流取样电阻。由于功率MOSFET的导通电阻随温度变化的范围大，为了获得正确的电流检测信号，系统内部必须具有温度补偿电路，这种电流取样方式成本低，效率高。

另一种方式就是下管串联外部的取样电阻，这种方式电流取样的精度高，也不需要温度补偿，但成本高，影响系统的效率。

COT控制模式的BUCK变换器输出短路时，谷底电流会逐渐抬高，如果设定一个电流值，当谷底电流增加到高于这个电流值时，下管就不再关断，一直保持导通状态，直到谷底电流降低到等于这个值时，才关断下管，如图2所示。

图2 谷底限流工作原理

这种控制方式问题在于、不同的输出电感值，不同的输入电压，峰值电流不相同：

L*di/dt = Vin – Vo

输出电感越小、输入电压越大，峰值电流值就越大，电感平均电流也就越大，如图3所示。如果电感选择不合适，在一些应用条件下，电感可能会饱和，就会产生风险。同样的，系统不能一直工作在电流较大的限流状态，在确认进入谷底限流后，不同芯片会使用不同的保护工作模式。

图3 不同工作条件电感峰值电流和平均电流

1、Hiccup打嗝工作模式

当进入谷底限流后，延时一段时间，然后系统再检测，如果输出仍然短路、还工作在谷底限流状态，系统就同时关闭上、下管的驱动信号，停止工作。然后，延时更长的一段时间，系统重新启动，如此反复，如图4、图5所示。如果系统检测到输出短路消除，就进入到正常工作。

延迟时间使用内部的时钟信号计数，计数器计满一定的个数如512、1024、2048、4096，…，设定相应的延迟时间。

图4 打嗝工作模式

图5 进入打嗝工作模式波形

2、降低谷底限流值

当进入谷底限流后，延时一段时间，然后系统再检测，如果输出仍然短路、还工作在谷底限流状态，系统就降低设定的谷底限流值，例如，降低到原来谷底限流值的1/2，从而降低输出电感的峰值电流和平均值电流，保证系统的安全，如图6所示。

图6 降低谷底限流值

3、同时使用峰值限流和谷点限流

当系统工作条件如输入电压、输出电感发生变化的时候，输出电感的峰值电流、平均电流也随之发生改变，就产生了上面的应用问题。如果系统同时检测峰值电流和谷底电流，同时使用峰值限流和谷底限流，这样，不管什么工作条件，当输出短路时，输出电流相当于工作在恒定的平均电流，也就是恒流输出状态，如图7所示。由于电感的峰值电流和平均电流工作在合理设定的范围内，这样系统安全可靠；同时，瞬态输出短路或过载消除后，输出电压恢复的响应速度非常快。

图7 峰值限流和谷点限流的恒流模式

4、同步BUCK变换器下管的负向电流限流保护

在同步BUCK变换器中，还有一个电流要进行限制保护，就是当系统输出从大负载切换到轻载或空载，如果下管导通的时间较长，当输出电感的电流过0后，下管还保持导通状态，那么，输出电压就会对输出电感反向激磁，形成负向电流，也就倒灌电流，如图8所示。下管的电流从原来的源极S流向漏极D，变为从漏极D流向源极S，如图9所示。当下管关断时，可能导致功率MOSFET产生雪崩发生损坏。