峰值电流模式的过流保护：频率折返保护

 

峰值电流模式的工作原理就是外环输出电压的反馈信号，作为内环电流信号的给定，送到PWM比较器的输入端，每个开关周期，峰值电流信号RS*IS从初始值增加到等于（顶到）输出电压的反馈信号值VCOMP，主开关管关断，从而调节系统的占空比，在输入电压和输出电流变化时，维持输出电压的稳定，如图1所示。

例如，BUCK变化器输出电压的误差运算放大器，通常其输出电压有动态调节的范围，也就是对应着最小输出负载电流的最小电压值VCOMP(Min)，以及对应着最大输出负载电流的最大电压值VCOMP(Max)。如果输出电流增加到过载，超出系统设计的最大输出电流，电压误差运算放大器的输出电压就会增加到最大输出电压值VCOMP(Max)并保持不变，如图2所示。系统每一次开关工作，峰值电流检测信号的电压值RS*IS，每一次顶到VCOMP(Max) 值，主开关管就会关断，形成经典的逐个脉冲限流保护（Cycle
by Cycle Current Limit），也称为脉宽限流保护，这种保护功能是峰值电流模式固有的优点。

为了防止误触发，峰值电流模式系统都有前沿消隐时间功能Leading Edge Blanking LEB，例如，如果LEB为200nS，就是在200nS时间内，系统对检测的电流信号不起作用。 

在正常工作时，电感的激磁和去磁电压分别为：

如果输出短路，输出电压几乎为0，由上面公式：电感的激磁电流变化率di/dt急剧变大，电感的去磁电流变化率di/dt变得非常缓慢，因此，每一个开关周期结束后，电感的起始激磁电流不断增加，一点一点的顶（拱）到接近系统设定的逐个脉冲限流保护的最大电流VCOMP(Max)。

然后，当系统进入到下一个开关周期，电感的起始激磁电流从接近于VCOMP(Max)值开始增加，理论上，当电感的电流（峰值电流）增加到等于VCOMP(Max)时，主开关管应该关断。

实际工作过程中，电感的激磁电流变化率di/dt非常大，电感电流从起始值增加到VCOMP(Max)的时间非常短，远小于LEB是200nS时间，那么，系统的电流检测信号不会起作用，电感电流就会继续保持增加，直到电感电流上升时间等于LEB时，系统才响应电流检测信号，关闭主开关管，如图3所示。

可以看到：在短路工作条件下，电感实际的工作电流已经大于系统设定的逐个脉冲限流保护值，因此，逐个脉冲限流功能无法提供有效的过流保护。

在一定过载范围内，输出电压的跌落幅度不大，电感没有饱和，系统占空比仍然在调节范围内，逐个脉冲限流功能可以提供有效的保护。此时，系统在输出过载电流下工作，温度升高，对于单芯片集成的方案，温度高于芯片的OTP保护点，系统就会停止工作。分立方案，芯片OTP功能无法提供这种保护。另外，OTP响应时间非常慢，无法提供瞬时短路动态大电流的保护。

逐个脉冲限流功能无法提供有效过流保护最主要原因在于以下2点：

1、输出短路时，输出电压非常低，电感去磁电流变化率di/dt非常小，导致下一个开关周期开始时电感激磁的起始电流不断增加，电感电流也不断增加，I2>I1，极端情况下，电感有可能会饱和。

2、系统每个开关周期，主开关管都必须导通的一个最小的时间，即LEB时间，电感的激磁电流在这个时间段，会一直保持上升而不受控。电感饱和时，电感值L减少到非常低值，电感激磁的电流变化率di/dt会进一步急剧增加，在非常短的LEB时间内，电感电流急剧增加到非常高的值，直接导致系统损坏。

每个开关周期结束时，如果电感的去磁电流的最低值I2，能够回到开关周期开始时，电感的激磁电流的起始值I1，那么电感的电流就不会一直增加。由电感电流去磁的公式，增加其去磁时间，也就是延长下管导通时间，直到电感电流下降到等于开关周期开始时的电流值，I1=I2‘，如图4所示，这样就可以实现这个功能，避免电感电流的不断增。

下管导通时间Toff延长，Ts=Ton+Toff，系统工作的开关周期变大，工作频率也就会降低，这种降低频率的保护方法，称为频率折返功能Frequency
Foldback。