峰值电流限流的优化方案
引言
电流限制是开关式电源转换器的一个重要保护功能,它可以在电流限制模式下限制可用的输出电流,以防止出现系统故障。峰值电流限制是目前业内普遍采用的电流限制方法。每当电感的电流il超出阈值iv时,电源转换器的开关(如图1所示)便会关断,以制止电流从输入电压源vin注入,直至il小于iv时,开关才会重新开通。由于输出电流iout总是等于il的平均值(在工作期间il呈线型纹波),故在电流限制模式下的iout(cl,des) 为：
(1)
式中的il(ripple)是il纹波的峰峰值。
一般而言,通常采用比较器来检测il是否超出iv,以决定关断或重新开通。可是,比较器会带来延时td,影响阈值的有效值。如图2所示,比较器在t1时刻检测到il v,可是偶遇延时td,开关会在t2时刻被恢复。基于这个原因,有效阀值in便会低于iv,这样,实际的输出iout(cl)为：
(2) 当in v时,上述数值便会小于iout(cl,des)。结果,在比较器中的td会消减iout(cl) 。
进一步研究,可发现in会受电感l的影响。考虑到il的电流变化率为：
(3) 式中的t是时间,而vout是电源转换器(如图1所示)的输出电压。当l减小时, 便会相应减少。由于td不会受ils、l和vout影响,并且vout也不受l影响,所以in会随着l而下降。这种关系可用下式表示： (4) 图 1 降压电源转换器
从式(4)中可清楚地看到in-iv由增大l或减少td来降低。可是高级电源转换器为减少元件尺寸,已倾向于朝着高频化发展。因此,预计l会比较小。另一方面,td的减少会导致比较器的转换速率增大,这会增加功率的损耗,从而降低整体的转换效率。再者,工作频率有可能超出1mhz,使开关周期达至1ms 。毫无疑问,td的减少意味着比较器的带宽很高,这在现实中很难实现。由此可以看出,在这种情况下,较小的l会被使用,加上td也与开关周期相匹配,所以in将会在工作频率较高时降低。结果,iout(cl)会在工作频率较高时明显小于iout(cl,des),并会在低工作频率时维持正常水平。尽管iv可设定为较高值,以确保iout(cl)可达到iout(cl, des),但这种超常的设计会为mosfet带来一些问题。比如说,为了在电流限制模式下处理更多的电流,需要更大的电感和电路板尺寸。前者将会增加整体电路的大小和成本,而后者则会增加电路的生产成本。
图2 电感器电流波形(检测到il
优化方案
要减少iout(cl)的下降,建议使用一个可变的iv来取代一个固定的iv。iv的变化取决于il(ripple)的平均值：即输出电流iout。在电流限制模式下,假如iout(cl)由于td而减少,那么iv将会增加,直至iout(cl)达到ilr参考值。这样,iout(cl)将不会再受到td的影响。优化提案的框图如图3所示。当中采用一个低通滤波器(lpf)来均化il及其输出,并且给出一个误差放大器的ilr参考值。采用一个积分器,通过误差放大器的输出可以产生一个可变iv。结果,i可达到一个令iout(cl)与ilr相等的值,而iout(cl)也可脱离td的影响。
图 3 改良方案的模块图
图 4 传统方案的模拟结果
图 5 改良方案的模拟结果
为了说明这个方案,图1中的降压转换器会采用这些配置：l=20mh、cout=47mf、rl值在2.64w(正常模式)~1.1w(电流限制模式)间转换,并会使用一个td=100ns的比较器,而iout(cl,des)和il(ripple)分别是2.5a和0.3a。不过,如果使用传统的峰值电流限制方法,那么式(1)中的iv便会设定为2.35a,传统方法的模拟结果如图4所示。由此可以看到,iout(cl)会由于td的影响而低于2.5a。然而,使用新方法并将ilr设定在2.5a,iout(cl)便可如图5所示达到2.5a。于是,传统方法中出现的问题便能够在该方案中解决。
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(1)
式中的il(ripple)是il纹波的峰峰值。
一般而言,通常采用比较器来检测il是否超出iv,以决定关断或重新开通。可是,比较器会带来延时td,影响阈值的有效值。如图2所示,比较器在t1时刻检测到il v,可是偶遇延时td,开关会在t2时刻被恢复。基于这个原因,有效阀值in便会低于iv,这样,实际的输出iout(cl)为：
(2) 当in v时,上述数值便会小于iout(cl,des)。结果,在比较器中的td会消减iout(cl) 。
进一步研究,可发现in会受电感l的影响。考虑到il的电流变化率为：
(3) 式中的t是时间,而vout是电源转换器(如图1所示)的输出电压。当l减小时, 便会相应减少。由于td不会受ils、l和vout影响,并且vout也不受l影响,所以in会随着l而下降。这种关系可用下式表示： (4) 图 1 降压电源转换器
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图2 电感器电流波形(检测到il
优化方案
要减少iout(cl)的下降,建议使用一个可变的iv来取代一个固定的iv。iv的变化取决于il(ripple)的平均值：即输出电流iout。在电流限制模式下,假如iout(cl)由于td而减少,那么iv将会增加,直至iout(cl)达到ilr参考值。这样,iout(cl)将不会再受到td的影响。优化提案的框图如图3所示。当中采用一个低通滤波器(lpf)来均化il及其输出,并且给出一个误差放大器的ilr参考值。采用一个积分器,通过误差放大器的输出可以产生一个可变iv。结果,i可达到一个令iout(cl)与ilr相等的值,而iout(cl)也可脱离td的影响。
图 3 改良方案的模块图
图 4 传统方案的模拟结果
图 5 改良方案的模拟结果
为了说明这个方案,图1中的降压转换器会采用这些配置：l=20mh、cout=47mf、rl值在2.64w(正常模式)~1.1w(电流限制模式)间转换,并会使用一个td=100ns的比较器,而iout(cl,des)和il(ripple)分别是2.5a和0.3a。不过,如果使用传统的峰值电流限制方法,那么式(1)中的iv便会设定为2.35a,传统方法的模拟结果如图4所示。由此可以看到,iout(cl)会由于td的影响而低于2.5a。然而,使用新方法并将ilr设定在2.5a,iout(cl)便可如图5所示达到2.5a。于是,传统方法中出现的问题便能够在该方案中解决。
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