1.前言

電流限制的概念似乎非常簡單：當(dāng)我們增加 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸出電流時，在某個點上不可能進一步增加它。這個水平是電流限制，這自然會導(dǎo)致電流被限制在某個特定峰值或最大水平的想法。

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

2.峰值電流限制

圖 1 顯示了峰值電流限制的開關(guān)節(jié)點電壓、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)換器開關(guān)頻率。

在轉(zhuǎn)換器導(dǎo)通期間，開關(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。對于峰值電流限制，將開關(guān)電流與導(dǎo)通期間的電流限制值進行比較。

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

降壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)電流對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關(guān)節(jié)點電壓、負(fù)載電流和電感器電流波形。

 

圖 2：使用恒定導(dǎo)通時間控制的谷值電流限制示例

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

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

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

4.優(yōu)點和缺點

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是合適的。使用峰值電流模式控制的轉(zhuǎn)換器通常會使用峰值電流限制。對于峰值電流模式控制，開關(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行比較。當(dāng)開關(guān)電流達到該水平時，導(dǎo)通時間終止。

用于設(shè)置占空比的相同電路也可以通過允許控制電壓的上限來檢測電流限制。峰值電流限制有一些缺點。主要缺點是“消隱時間”。在導(dǎo)通時間開始時，開關(guān)節(jié)點波形的上升時間非?？臁？赡艽嬖谙喈?dāng)大的過沖和振鈴。在此期間，無法準(zhǔn)確監(jiān)控電流，因此通常會指定最短導(dǎo)通時間或消隱時間。在此期間，電流不受監(jiān)控，可能會超過限制。

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

這是谷值電流限制相對于峰值電流的優(yōu)勢。谷值電流限制在關(guān)斷時間結(jié)束時應(yīng)用，在任何開關(guān)轉(zhuǎn)換之前。不需要任何消隱時間。

另一個考慮因素是感測電路的物理位置。對于電流限制，有時可能無法直接感測實際電流。相反，可以監(jiān)測與電流成比例的電壓。該電壓可以直接來自相應(yīng)的開關(guān)，或更典型地來自較小的鏡像元件。對于電流模式控制，該感測元件位于高側(cè)開關(guān)處，并相對于輸入電壓軌進行感測。輸入電壓可能會在很大范圍內(nèi)變化并且具有顯著的紋波。

另一方面，谷值電流限制檢測低側(cè)開關(guān)電流。傳感元件以更安靜和恒定的電路接地為參考。雖然這是一個優(yōu)勢，但它也有很大的局限性。由于谷值電流限制檢測低側(cè)開關(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。