了解谷電流限制

1.前言

電流限制的概念似乎非常簡(jiǎn)單：當(dāng)我們增加 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸出電流時(shí)，在某個(gè)點(diǎn)上不可能進(jìn)一步增加它。這個(gè)水平是電流限制，這自然會(huì)導(dǎo)致電流被限制在某個(gè)特定峰值或最大水平的想法。

考慮到這一點(diǎn)，谷電流限制的概念似乎很違反直覺(jué)。為了更好地理解它，讓我們先來(lái)看看峰值電流限制。

2.峰值電流限制

圖 1 顯示了峰值電流限制的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓、負(fù)載電流和電感器電流波形。

圖 1：峰值電流限制示例

對(duì)于 DC/DC 降壓轉(zhuǎn)換器，輸出電流由兩部分組成：直流負(fù)載電流和交流紋波分量。直流分量是輸送到負(fù)載的電流，而交流電流則被輸出電容濾除。

直流分量只是 Vout/Rload。等式 1 將交流分量表示為峰峰值電感器電流：

其中 Vin 是輸入電壓，Vout 是輸出電壓，Lout 是輸出電感，F(xiàn)sw 是轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)頻率。

在轉(zhuǎn)換器導(dǎo)通期間，開(kāi)關(guān)或電感器電流上升到 Iout + ILp-p/2。在關(guān)斷期間，電流減小到 Iout – Ilp-p/2，輸出電流為平均電流。對(duì)于峰值電流限制，將開(kāi)關(guān)電流與導(dǎo)通期間的電流限制值進(jìn)行比較。

在圖 1 所示的波形中，在時(shí)間 A 期間，轉(zhuǎn)換器以固定恒定負(fù)載電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。在時(shí)間 B 期間，負(fù)載電流逐漸上升到電流限制設(shè)定點(diǎn)。轉(zhuǎn)換器通過(guò)增加占空比來(lái)增加每個(gè)連續(xù)開(kāi)關(guān)周期中的輸出電流。在時(shí)間 C 期間，轉(zhuǎn)換器以電流限制運(yùn)行。當(dāng)電流達(dá)到極限時(shí)，導(dǎo)通時(shí)間提前終止，關(guān)斷時(shí)間開(kāi)始。在關(guān)斷時(shí)間內(nèi)，電流降低回到限值以下。在下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始時(shí)，電流再次開(kāi)始上升。如果在此周期內(nèi)達(dá)到電流限制，則導(dǎo)通時(shí)間再次提前終止。這種類型的電流限制是逐周期峰值電流限制。

降壓轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)電流對(duì)于谷值電流限制和峰值電流限制是相同的。

3.谷電流限制

圖 2 顯示了谷值電流限制的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓、負(fù)載電流和電感器電流波形。

圖 2：使用恒定導(dǎo)通時(shí)間控制的谷值電流限制示例

不是在導(dǎo)通期間監(jiān)測(cè)電流，而是在關(guān)斷期間監(jiān)測(cè)電流。如上所述，電流在關(guān)斷時(shí)間內(nèi)減小。在開(kāi)關(guān)周期結(jié)束時(shí)，將開(kāi)關(guān)電流與谷值電流限值進(jìn)行比較。

在圖 2 所示的時(shí)間 A 期間的波形中，轉(zhuǎn)換器以固定恒定負(fù)載電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。在時(shí)間 B 期間，負(fù)載電流逐漸上升到電流限制設(shè)定點(diǎn)。由于這是一個(gè)恒定導(dǎo)通時(shí)間示例，轉(zhuǎn)換器通過(guò)減少關(guān)斷時(shí)間來(lái)增加占空比來(lái)增加每個(gè)連續(xù)開(kāi)關(guān)周期中的輸出電流。在時(shí)間 C 期間，轉(zhuǎn)換器以電流限制運(yùn)行。當(dāng)電流高于限值時(shí)，關(guān)斷時(shí)間延長(zhǎng)，直到開(kāi)關(guān)電流等于谷值電流限值；然后允許下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始。

從根本上說(shuō)，峰值電流限制和谷值電流限制都是通過(guò)相對(duì)于導(dǎo)通時(shí)間增加關(guān)斷時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在峰值電流限制的情況下，導(dǎo)通時(shí)間減少，關(guān)斷時(shí)間增加相同的量，保持設(shè)定的開(kāi)關(guān)頻率。谷值電流限制保持導(dǎo)通時(shí)間恒定，同時(shí)只增加關(guān)斷時(shí)間，以便在電流限制操作期間開(kāi)關(guān)頻率降低。

4.優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

現(xiàn)在我們了解了基本的工作原理，很容易看出每種類型的電流限制何時(shí)是合適的。使用峰值電流模式控制的轉(zhuǎn)換器通常會(huì)使用峰值電流限制。對(duì)于峰值電流模式控制，開(kāi)關(guān)電流波形本質(zhì)上是脈寬調(diào)制 (PWM) 斜坡波形。導(dǎo)通期間的上升電流與對(duì)應(yīng)于所需負(fù)載電流的誤差放大器輸出成正比的電平進(jìn)行比較。當(dāng)開(kāi)關(guān)電流達(dá)到該水平時(shí)，導(dǎo)通時(shí)間終止。

用于設(shè)置占空比的相同電路也可以通過(guò)允許控制電壓的上限來(lái)檢測(cè)電流限制。峰值電流限制有一些缺點(diǎn)。主要缺點(diǎn)是“消隱時(shí)間”。在導(dǎo)通時(shí)間開(kāi)始時(shí)，開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)波形的上升時(shí)間非?？??？赡艽嬖谙喈?dāng)大的過(guò)沖和振鈴。在此期間，無(wú)法準(zhǔn)確監(jiān)控電流，因此通常會(huì)指定最短導(dǎo)通時(shí)間或消隱時(shí)間。在此期間，電流不受監(jiān)控，可能會(huì)超過(guò)限制。

我們可以看到谷值電流限制保持導(dǎo)通時(shí)間恒定，同時(shí)延長(zhǎng)關(guān)斷時(shí)間以將電流降低到限制以下，因此很自然會(huì)想到在使用恒定導(dǎo)通時(shí)間控制模式的轉(zhuǎn)換器中使用這種類型的電流限制。恒定導(dǎo)通時(shí)間控制將導(dǎo)通時(shí)間設(shè)置為固定值，并在輸出電壓的反饋部分低于預(yù)設(shè)電平時(shí)使用遲滯比較器結(jié)束關(guān)斷時(shí)間。如果電流高于限值，谷值電流限值將覆蓋該控制信號(hào)，從而增加關(guān)斷時(shí)間。

這是谷值電流限制相對(duì)于峰值電流的優(yōu)勢(shì)。谷值電流限制在關(guān)斷時(shí)間結(jié)束時(shí)應(yīng)用，在任何開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換之前。不需要任何消隱時(shí)間。

另一個(gè)考慮因素是感測(cè)電路的物理位置。對(duì)于電流限制，有時(shí)可能無(wú)法直接感測(cè)實(shí)際電流。相反，可以監(jiān)測(cè)與電流成比例的電壓。該電壓可以直接來(lái)自相應(yīng)的開(kāi)關(guān)，或更典型地來(lái)自較小的鏡像元件。對(duì)于電流模式控制，該感測(cè)元件位于高側(cè)開(kāi)關(guān)處，并相對(duì)于輸入電壓軌進(jìn)行感測(cè)。輸入電壓可能會(huì)在很大范圍內(nèi)變化并且具有顯著的紋波。

另一方面，谷值電流限制檢測(cè)低側(cè)開(kāi)關(guān)電流。傳感元件以更安靜和恒定的電路接地為參考。雖然這是一個(gè)優(yōu)勢(shì)，但它也有很大的局限性。由于谷值電流限制檢測(cè)低側(cè)開(kāi)關(guān)處的電流，因此它通常僅限于同步轉(zhuǎn)換器。

谷流限制真的沒(méi)有什么大不了的。它與其他類型的電流限制一樣有效。轉(zhuǎn)換器使用的控制模式主要決定了電流限制的類型。