原标题：降压稳压器过流保护的关键技术

同步降压稳压器广泛用于工业和基础设施应用,可将12V电源轨步降至适合微控制器、FPGA、内存和外设I/O的负载点输入,最小可低至0.6V。为防止这些开关稳压器由于过量电流而损坏,过流保护(OCP)功能非常关键。一般会采用逐周期电流限制,因为响应速度快。该方案使开关稳压器持续以最大负载电流工作,但同时会产生过量的热,并有可能降低系统可靠性。使用二级保护方案(如打嗝模式和闭锁模式)能解决可靠性问题,同时改善平均故障间隔时间(MTBF)。

本文讨论了几种流行的OCP方案,并解释了这些方案的工作原理,及其在降压稳压器中的实现方式。另外我们还将讨论电源设计工程师所面对的实际考虑事项,帮助他们为其应用做出最合适的选择。

采用逐周期电流限制的过流保护

电流模式控制(CMC)降压转换器因为有许多优势而在近年来变得非常流行。其主要优势之一是其只需通过COMP电压箝制即可实现内在的逐周期电流限制。图1显示了一种峰值CMC降压转换器的框图,我们以它为例来解释各种OCP方案。

图1. 峰值CMC降压转换器框图

实现电流限制需要获得电感器电流信息。最常用的电流检测方案包括电阻器电流检测、电感器DCR电流检测、功率MOSFET RDSon电流检测和SenseFET电流检测。其中,SenseFET电流检测由于精度高和功率损耗低到可以忽略不计,因而广泛用于开关稳压器,如Intersil的ISL85005和ISL85014同步降压稳压器。SenseFET电流检测基于匹配器件原理,其中电流被分成功率FET和senseFET,大小与其阻值成反相关。通常采用非常高的功率FET阻值- SenseFET阻值比率,这是因为SenseFET电流只是功率 FET电流的一小部分。因此,可以使用信号电平电阻器来检测电流而不产生显著的功率损耗。电源设计工程师能够实现的逐周期电流限制OCP的第一级是A)峰值电流限制,然后是B)反向电流限制。稍后我们会讨论如何实现针对持续故障事件的二级保护。

A. 峰值电流限制

在峰值CMC降压转换器中,开关周期由时钟信号开启。然后高边开关导通,电感器电流开始斜坡上升。随后检测电感器电流并与控制信号(VCOMP)比较。当电感器电流达到VCOMP时,高边开关关断,这时电感器电流下降,直到下一个开关周期开始。通过VCOMP箝制可将峰值电感器电流限制在期望水平。图2显示的是正常和电流限制工作模式下的电流波形。

图2. 正常和峰值电流限制工作模式

理论上来讲,一旦电感器电流达到峰值电流限制阈值,高边开关导通脉冲就会立即终止,以使电感器电流低于峰值电流限制阈值。但实际PWM控制器通常具有最小导通时间限制。在时钟信号开启新的开关周期后,高边开关关断之前必须在不少于最小导通时间的一段时间内保持导通,即使电感器电流已达到峰值电流限制阈值也不例外。

在短路故障事件中,极低输出电压会导致电感器电流在高边开关关断时间内缓慢衰减。降压转换器必须在非常小的占空比条件下工作,以确保电感器电流低于峰值电流限制阈值。如果控制回路要求的导通时间小于最小导通时间,则控制器仍然会保持高边开关导通最小导通时间。因此,电感器电流在通过每个开关周期时持续增加,最终超出可编程峰值电流限制阈值。可以采用两种不同的方法来防止这种由于最小导通时间限制而造成的电流失控:实施谷值电流限制电路,和/或开关频率折返(foldback)功能(作为对峰值电流限制的补充保护)。

谷值电流限制:提供额外一层保护。可以通过在低边开关导通时检测电感器电流来实施谷值电流限制。如果在开关周期结束时所检测的电流超过谷值电流限制阈值,则高边开关将跳过下一个周期并保持关断状态,直到电流衰减到低于谷值电流限制阈值。从而可避免前面讨论的由于最小导通时间导致的电流失控情形。图3显示的例子解释了这种保护机制。

图3. 峰值电流限制和谷值电流限制

开关频率折返:这是消除在短路故障事件中由于最小导通时间而造成的电流失控风险的另一种有效方案。当检测到过流事件时,峰值电流限制电路会限制占空比,从而减小输出电压。当反馈电压和/或导通时间低于编程好的阈值时,频率折返功能会降低开关频率。通过降低频率来满足苛刻的占空比要求可以实现更长的导通时间。使频率保持足够低的水平(使得要求苛刻的导通时间大于最小导通时间)即可避免电流失控情况。降低频率还会实现更大电感器电流纹波和更低的输出电流。频率将在短路事件消除后自动恢复到正常值。

B. 反向电流限制

在具有二极管整流的非同步降压转换器中,电感器电流始终为正。相反,当同步降压转换器在强制连续导电模式(FCCM)下工作时,电感器电流可沿任一方向流过低边MOSFET。如果输出电压意外上升到超过输出设置点,则将有一个大的负电流从VOUT流向PHASE节点,并通过低边MOSFET流向地面。过大反向电流还会导致稳压器故障。

如上文所讨论的,峰值电流限制和谷值电流限制只能限制正向电流,但不能限制反向电流。这时就需要额外的反向电流限制电路。在有反向电流流过低边MOSFET,并超过预设的反向电流限制阈值时,强制关断低边MOSFET。

二级OCP方案

逐周期电流限制通过将最大电流限制在预设水平,提供迅速的第一级保护。在连续最大电流条件下工作的开关稳压器会面临温度大幅上升,有些情况下甚至可能达到热关断阈值。发生这种情况时,热关断保护电路将关断开关稳压器,防止其受损。当稳压器关断时,温度逐步下降。在稳压器充分冷却后,自动从热关断状态中恢复。在持续故障事件中,稳压器在峰值电流限制和热关断之间循环,这会对稳压器的长期可靠性带来损害。这时应当考虑实施两种二级保护机制(打嗝模式或闭锁模式),以消除这个顾虑并改善MTBF。

打嗝模式保护:这种保护通常用逐周期峰值电流限制和周期计数电路来实现。在检测到过流事件时启动打嗝工作模式。逐周期限制电路随即做出反应限制峰值电流。然后周期计数电路对开关周期计数。在一定数量的连续周期过后,开关稳压器关断一定时间,然后尝试再次启动。如果过流事件已消除,则开关稳压器将启动并回到正常工作状态。否则,它将检测到另一个过流事件并再次关断,并重复之前的循环。

如图4所示,在持续故障条件下,稳压器的工作时间只占打嗝周期的一小部分。在打嗝模式期间,功率损耗和温度都低很多。因此,与仅采用逐周期电流限制的稳压器相比,电源可靠性得到了提升。

图4. 持续故障条件下的打嗝模式OCP

闭锁模式保护:像逐周期电流限制方案一样,打嗝模式OCP也使稳压器能在故障消除后重新启动。虽然自动恢复功能在许多应用中很受欢迎,但闭锁模式保护在其他一些应用中更受青睐,例如在电池供电系统中用于防止电池电量在持续故障条件下耗竭。如图5所示,闭锁模式保护会关断稳压器,并在检测到过流事件时将其锁定。重新启动稳压器需要打开ENABLE或 VIN。

图5. 闭锁模式OCP

许多先进的集成式开关稳压器都具有内置OCP电路,以保护自身不受过量电流和功率损耗的危害。不同的开关稳压器可能采用不同的保护方案。来自Intersil的ISL85003、ISL85005和ISL85005A同步降压稳压器具有内部峰值电流限制、谷值电流限制和反向电流限制功能,以提供全面的保护。ISL85009、ISL85012和ISL85014同步开关稳压器也具有这些电流限制功能。此外,他们还提供频率折返功能,以及打嗝模式和闭锁模式保护选项,来全面地保护开关稳压器和提升系统可靠性。

结论

电源设计工程师应当根据其实际应用要求做出合适的选择。逐周期峰值电流限制通过限制电感器峰值电流为开关稳压器提供快速保护,保护其不受过量电流的危害。为避免峰值电流限制由于最小导通时间限制而失效,可考虑采用附加的谷值电流限制和/或频率折返功能。同时不要忘记,反向电流限制可防止大的负灌电流。作为第二级保护,打嗝模式保护可通过减小功率损耗和降低温度升幅来提升系统可靠性。如果在持续故障条件下不需要自动恢复特性,应当选择闭锁模式保护。

关于作者

Haifeng Fan是瑞萨子公司Intersil的电源管理产品首席应用工程师。他负责Intersil开关稳压器产品的新产品定义、硅验证和客户技术支持。Haifeng拥有美国佛罗里达州立大学(塔拉哈西)的电子工程博士学位,浙江大学电子工程硕士学位和华中科技大学的电子工程学士学位。

ISL85005

OVERVIEW

The ISL85005 and ISL85005A are monolithic, synchronous buck regulators with integrated 5A, 18V high-side and low-side FETs. These devices provide an integrated bootstrap diode for the high-side gate driver to reduce the external parts count. These devices also have a wide input voltage range to support applications with input voltage from multi-cell batteries or regulated 5V and 12V power rails.

The ISL85005 and ISL85005A regulate the output voltage with current mode control and have an internal oscillator. The switching frequency of the ISL85005 is internally set as 500kHz, and can be synchronized to an external clock signal with frequency ranges from 300kHz to 2MHz. The ISL85005A has a fixed 500kHz switching frequency.

The ISL85005 has a fixed 2.3ms soft-start, while the ISL85005A features programmable soft-start to limit inrush current during startup. With the SS pin floating, the soft-start time of ISL85005A is also 2.3ms.

The ISL85005 can be configured in either forced Continuous Conduction Mode (CCM) or Diode Emulation Mode (DEM). DEM enables high efficiency at light-load conditions. The ISL85005A always operates in forced CCM.

The ISL85005 and ISL85005A have built-in protections including input UVLO protection, input and output overvoltage protection, high-side cycle-by-cycle current limit, low-side forward current limit and reverse current limit, and thermal shutdown.

KEY FEATURES

4.5V to 18V input voltage range Internal 5A, 18V high-side and low-side MOSFET switches ±1%, 0.8V feedback voltage reference Integrated bootstrap diode with undervoltage detection Current mode control with internal slope compensation Internal or external compensation options Default internally set 500kHz switching frequency Synchronization capability to external clock (ISL85005) Diode Emulation Mode (DEM) and Forced CCM (FCCM) options (ISL85005) Adjustable soft-start time (ISL85005A) Output Power-Good (PG) indicator Input Undervoltage Lockout (UVLO), input and output overvoltage protection High-side cycle-by-cycle current limit, low-side forward and reverse overcurrent protection, and thermal shutdown Small 12-pin 3mmx4mm Dual Flat No-Lead (DFN) package with EPAD for enhanced thermal performance

PARAMETRICS

ParametersISL85005

Topology Buck

Max Duty Cycle (%) See Datasheet

# of Outputs 1

Qualification Level Standard

Input Voltage Min (V) 4.5

Peak Efficiency (%) 95

Input Voltage Max (V) 18

POR Yes

Output Voltage Min (V) 0.8

SYNCH Capability Yes

Output Voltage Max (V) 15

Control Type Voltage Mode

Output Current Max (A) 5

Switching Frequency Range (MHz) 0.5

IQ 3.2 mA

iSim Model YES

Switching Freq. (max) (MHz) 0.6

Can Sample YES

Switching Freq. (min) (MHz) 0.4

Temperature Range -40 to +125