Buck变换器中的过流保护

董 艳

（上海交通大学，上海200023）

0 引 言

为了避免电力器件发生过热，特别是MOSFET或肖特基二极管的温度超过其特定的限制温度，需要引入保护机制，尤其是引入过流保护来避免这些电力器件受损坏。过流保护可以分成两个部分，一个是过流保护的检测方式，另一个是过流保护的保护模式。通过一定的检测方式buck控制器负责获取电力器件中的实时电流信号；而保护模式决定了buck控制器一旦监测到过流信号后所采取的保护动作。

从过流保护检测的方式来看，过流保护可以通过如下方式来监测电流：a电流检测；b电压检测。

从buck直流变换器中常用的过流保护的模式来看，有以下几种保护模式：a跳变模式（打嗝模式）；b恒流模式；c直接关机模式。

过流保护方式和保护动作的配合没有固定模式，根据不同的应用自由组合以达到过流保护的目的。

1 电流检测和电压检测

1.1 电压检测

在大多数集成buck变换器中，上管和下管（或者续流二极管）都是包在控制器里面的。ST的ST1S10是一个最大输出电流达3A的集成同步降压控制器，内涵MOSFET和续流肖特基二极管。典型应用电路如图1所示。

图1 ST1S10典型应用电路

在ST1S10发生短路或过流时，如果输出电压（UOUT）的降低引起反馈电压（UFB）降到低于0.3V，ST1S10就会关机并持续一个TOFF的时间（TOFF（SCP）＝288μs typ.）然后再次开机并持续一个TON的时间（TON（SCP）＝130μs typ.）。这个动作周期性重复，直到整个TON时间内没有监测到过流（UFB＞0.3Vtyp.），ST1S10就恢复正常动作。

ST1S10的过流保护模式是一种通过检测UFB，最终以打嗝来实现保护的一种模式。在这种检测电压的方式中，当负载电流可能大于最大负载电流时，负载电流须被限定在这个最大值。也就是说，负载电流如需进一步加大，其结果是输出电压会随之降低，输出电压和负载电流的关系如图2所示。

通常过流保护时的损耗会比正常工作时的损耗要大。为了保护电源，必须考虑最坏的情况。ST1S10内部电路没有另设过流检测电路，而是利用反馈脚（FB）。这样做的好处是简化内部微电路设计，降低芯片成本，而且也简化了外围电路设计，减少了电路所占空间。但是，在过流保护中采用电压检测方式有3个缺点：一是最大占空比限制问题；每次过流保护的动作都会引起COMP脚上的电压上升，那么在实行OCP时就必须考虑误差放大器有可能会饱和。二是电路从过流保护恢复到正常工作会受反馈电路的影响。三是这种过流保护准确度在输出电压已经很低时会变得更差。

图2 电压检测方式的IU曲线

1.2 电流检测

TPS54332是一款输入电压达28V，输出电流达3.5A，内包上管的非同步buck变换器。图3所示为TPS54332的应用电路图。

图3 TPS54332应用电路图

TPS54332应用了电流控制模式，利用COMP脚电压变化在每个开关周期上关断上管。在每个开关周期里，TPS54332会把转换为电压值的开关电流信号和COMP脚上电压信号作比较，当电感峰值电流信号超过了COMP脚的电压信号，上管就会关断。在过流保护期间，如果输出电压被拉低，那么误差放大器相应地抬高COMP脚上的电压使TPS54332输出更大电流，这样，同样会出现ST1S10误差放大器饱和的问题，但TPS54332在芯片内部COMP脚上加入了箝位器，这样既解决了误差放大器饱和问题，又限制了最大输出电流。

TPS54332的过流保护方式则是利用检测MOSFET电流信号，最终以打嗝来实现保护的一种模式。过流保护动作由电感峰值电流触发如图4和图5。根据电流波形，可以得出输出电流的公式：

图4 电感电流波形

图5 MOSFET电流波形

根据公式（2），电感纹波电流由电感值决定。假设输出同样的电流（IO），设置同样的 OCP阈值（IP），那么电感量大的电路中，实际过流保护点会更接近期望值。也就是说，电感量越大，纹波电流越小，过流保护就越精确。当然这需要结合实际，根据PCB板空间和过流点范围来选择合适的电感。

对于多相控制芯片来说，电流检测多以将电流信号和芯片存储的电压信号作比较来实现。ISL6308是一款内置MOSFET驱动器的三相PWM控制芯片。它利用Droop脚电压与OCSET脚电压作比较来检测过流事件是否发生，如图6所示。

图6 ISL6308过流保护内部框图

Droop电压由外部电流检测电路设定（参见下图7），而且是一个与输出总电流成比例的值（见公式3）。

从图7可以看到，一个连续的100μA的电流流过ROCSET，由此在OCSET脚上产生了一个电压，其值会存贮在控制器内部。因此公式（3）可以改写为公式（4），并将Iout换成IMAX，即过流保护点电流。那么过流保护点电流就可以通过选择合适的ROCSET来设定：

一旦输出总电流超过了过流保护点，VDROOP就会超过存储在控制器内的VOCSET，OC比较器（图7）随即触发芯片启动过流保护程式。过流保护时，芯片同时关掉上下管。

图7 ISL6308电流检测电路

很明显，这也是一种电流检测的方式。将外部大电流信号转换为芯片内部电压信号，并且以这个电压信号作为PWM控制芯片内部参考信号。但是这种方式比前面峰值电流检测方式更精确，因为纹波电流并没有引入。

ST的L6740L是一款外置MOSFET驱动器的4＋1相PWM控制芯片，它是专为AMD CPU供电的芯片。在CORE部分，L6740L的OCP更具灵活性，芯片利用同一个电流采样信号来实现两种过流保护；一种是针对总输出电流的过流保护（见下图8和9），另一种是针对每相输出电流的过流保护。

图8 L6740L每相电流监测电路

图9 L6740L OC＿AVG／LI脚内部框图

L6740L通过检测每相CSx＋／CSx－脚上的输出电流，并将这个电流转换为小电流IINFOx，芯片内部反映总输出电流的小电流信号就是每相IINFO＿X电流的总和，即IDROOP，它从FB脚流出，可以用来调解Load line。并且芯片内部用以实现均流的平均电流信号是ΣIINFOx／N（N 为总的工作相数）。IINFOx和IDROOP分别可以用公式（5）和公式（6）来计算：

从式（5）来看，IINFOx是一个与每相输出电流成比例的小电流信号。过流保护触发点的设置则可以简单地连接一个ROC＿AVG电阻在OC＿AVG／LI脚和SGND之间。图10中，从OC＿AVG／LI脚流出的是一个复制FB脚DROOP电流一样的电流，当这个脚上由DROOP电流产生的电压超过了OC＿AVG阀值（UOC＿AVGTH＝2.5VTyp），芯片会将所有 MOSFET都关掉并且锁住（如要恢复工作，须重置VCC或者EN脚）。这样就实现了总输出电流的过电流保护；ROC＿AVG可以由公式（7）来确定：

式中，UOC＿AVGTH＝2.5V；IOC＿AVGMAX平 均 最 大 输 出 电流，即所期望的过流保护点。图10为L6740L总输出电流的过流保护波形。

图10 L6740L总输出电流过流保护波形图

由于总输出电流的过流保护无法识别非均流时的过流情况，因此，L6740L还同时兼顾了每相的过流保护，其过流保护触发点的设置是通过在OC＿PHASE脚和SGND之间连接一个电阻（ROC＿TH）来实现，由于OC＿PHASE脚固定在1.24V，那么IOC＿TH的大小就由ROC＿TH决定，并且当IINFOX＞IOC＿TH时，该相的过流保护被触发，控制器马上常开该相下管直到IINFOX＜IOC＿TH。

可以看出，L6740L利用IINFO＿X不但实现了两种过流保护，还实现了调解Load line和均流的目的。这样的电流检测方式在ST其他多相PWM控制器上也得到了广泛的应用。

2 打嗝模式、恒流模式和关机模式

上文详细介绍了过流保护的检测方法，下面简单介绍一下过流保护的措施，在多数buck控制器过流保护措施中，打嗝模式、恒流模式和关机模式是最常见的。L5985是ST的一款内置MOSFET的直流降压式变换器，其输出电流限制为2.5A。图11所示为L5985典型应用电路图。

L5985通过检测内置MOSFET的电流来实现过流点检测。L5985的过流保护措施在不同工作阶段有两种模式；当输出电压仍可控时，一旦过流保护发生，内置MOSFET关掉，并且使误差放大器的内部参考电压为零，并且在持续一个软启动的时间（2 048个时钟周期），然后，开始新的软启动并且内部参考电压开始爬升；也就是说，L5985会工作一段时间然后停止工作一段时间，重复这样的工作周期直到电路退出过流保护状态。这种打嗝过流保护动作如图12所示。

图11 L5985典型应用电路图

图12 L5985过流保护波形图（当输出电压可控）

当电路在软启动期间一旦发生过流保护，L5985将在保持输出电流恒定（最大）的情况下跳过几个开关周期。跳过的周期会随着过流时间的延长而增加。波形图如图13所示。

因此，L5985的过流保护可以分两种情况，即在输出电压可控时为打嗝模式，在软启动期间为恒流模式。除了这两种模式外，关机模式也是一种常用过流保护模式，即一旦过流保护点触发时，PWM控制器立即关掉上下两管，直到Enable或Vcc重置。

对于最常用的打嗝过流保护模式，可以得出以下结论：当电流检测电路检测到过流事件时，控制芯片会停止工作，过一段时间后再重新工作。如果这时候过流情况不再复现，那么电路就会工作在正常状态下，否则，控制芯片将视为另一个过流事件正在发生，并会再次停止工作，重复前面所述的工作周期。在内部电路中，打嗝模式其实只需要一个计时电路，而且可以以多种方式来实现；例如：一种方式是一旦过流事件检测到，电路立即启动打嗝保护模式，另一种是在设定的一段时间内（通常是几个毫秒）禁止电路启动打嗝模式。显然后者要比前者更优，原因就在于在启动过程中，电路对输出电容的瞬间充电需要额外的电流，这样会造成启动瞬间的电流通常要比正常工作时的电流大，那么启动瞬间的电流就更容易触发过流点。如果在第一种情况中每次电路开启瞬间都会触发过流保护，那么这个电路就永远不能成功启动。然而，对于恒流模式在过流保护时电感电流保持恒定，在启动瞬间就不会出现第二种打嗝模式中出现的情况。L5985就是利用打嗝模式和恒流模式可以在时间上的互补应用，而形成的一种新的过流保护模式组合。

图13 L5985过流保护波形（软启动期间）

3 总 结

过流保护的实现离不开检测电路和保护机制的互相配合。在过流保护电路中，检测电路显得尤为重要，可以看出，采样电流的检测方式比采样电压的检测方式更可靠，尤其是输出为低电压大电流的应用，几乎都是采用电流检测方式；而电压检测方式则可以用在过流保护要求不高的场合或者成本较低时应用。无论是电流检测还是电压检测，最后都要实施保护动作；在直流buck电路中，根据不同的应用特征，可以随意选择打嗝模式、恒流模式或者关机模式。通常，在电脑主板中，采用恒流或者关机模式。

［1］ST1S10Datasheet［Z］.意法半导体，2007，3－16.

［2］L5985Datasheet［Z］.意法半导体，2007，1－13.

［3］TPS54332Datasheet［Z］.德州仪器，2009，1－5.

［4］ISL6308Datasheet［Z］.英特矽尔，2005，13－16.

［5］Hiccup mode current limiting［Z］.LINFINITY，1998，2.

［6］赵修科，计算有效值电流，开关电源中的磁性元器件［Z］.http：／／www.21dianyuan.com.2004.