同步降壓穩壓器廣泛用于工業和基礎設施應用，可將12V電源軌步降至適合微控制器、FPGA、內存和外設I/O的負載點輸入，最小可低至0.6V。為防止這些開關穩壓器由于過量電流而損壞，過流保護（OCP）功能非常關鍵。一般會采用逐周期電流限制，因為響應速度快。該方案使開關穩壓器持續以最大負載電流工作，但同時會產生過量的熱，并有可能降低系統可靠性。使用二級保護方案（如打嗝模式和閉鎖模式）能解決可靠性問題，同時改善平均故障間隔時間（MTBF）。

本文討論了幾種流行的OCP方案，并解釋了這些方案的工作原理，及其在降壓穩壓器中的實現方式。另外我們還將討論電源設計工程師所面對的實際考慮事項，幫助他們為其應用做出最合適的選擇。

采用逐周期電流限制的過流保護

電流模式控制（CMC）降壓轉換器因為有許多優勢而在近年來變得非常流行。其主要優勢之一是其只需通過COMP電壓箝制即可實現內在的逐周期電流限制。圖1顯示了一種峰值CMC降壓轉換器的框圖，我們以它為例來解釋各種OCP方案。

實現電流限制需要獲得電感器電流信息。最常用的電流檢測方案包括電阻器電流檢測、電感器DCR電流檢測、功率MOSFET RDSon電流檢測和SenseFET電流檢測。其中，SenseFET電流檢測由于精度高和功率損耗低到可以忽略不計，因而廣泛用于開關穩壓器，如Intersil的ISL85005和ISL85014同步降壓穩壓器。SenseFET電流檢測基于匹配器件原理，其中電流被分成功率FET和senseFET，大小與其阻值成反相關。通常采用非常高的功率FET阻值- SenseFET阻值比率，這是因為SenseFET電流只是功率 FET電流的一小部分。因此，可以使用信號電平電阻器來檢測電流而不產生顯著的功率損耗。電源設計工程師能夠實現的逐周期電流限制OCP的第一級是A）峰值電流限制，然后是B）反向電流限制。稍后我們會討論如何實現針對持續故障事件的二級保護。

A. 峰值電流限制
在峰值CMC降壓轉換器中，開關周期由時鐘信號開啟。然后高邊開關導通，電感器電流開始斜坡上升。隨后檢測電感器電流并與控制信號（VCOMP）比較。當電感器電流達到VCOMP時，高邊開關關斷，這時電感器電流下降，直到下一個開關周期開始。通過VCOMP箝制可將峰值電感器電流限制在期望水平。圖2顯示的是正常和電流限制工作模式下的電流波形。

理論上來講，一旦電感器電流達到峰值電流限制閾值，高邊開關導通脈沖就會立即終止，以使電感器電流低于峰值電流限制閾值。但實際PWM控制器通常具有最小導通時間限制。在時鐘信號開啟新的開關周期后，高邊開關關斷之前必須在不少于最小導通時間的一段時間內保持導通，即使電感器電流已達到峰值電流限制閾值也不例外。

在短路故障事件中，極低輸出電壓會導致電感器電流在高邊開關關斷時間內緩慢衰減。降壓轉換器必須在非常小的占空比條件下工作，以確保電感器電流低于峰值電流限制閾值。如果控制回路要求的導通時間小于最小導通時間，則控制器仍然會保持高邊開關導通最小導通時間。因此，電感器電流在通過每個開關周期時持續增加，最終超出可編程峰值電流限制閾值。可以采用兩種不同的方法來防止這種由于最小導通時間限制而造成的電流失控：實施谷值電流限制電路，和/或開關頻率折返（foldback）功能（作為對峰值電流限制的補充保護）。

谷值電流限制：提供額外一層保護。可以通過在低邊開關導通時檢測電感器電流來實施谷值電流限制。如果在開關周期結束時所檢測的電流超過谷值電流限制閾值，則高邊開關將跳過下一個周期并保持關斷狀態，直到電流衰減到低于谷值電流限制閾值。從而可避免前面討論的由于最小導通時間導致的電流失控情形。圖3顯示的例子解釋了這種保護機制。

開關頻率折返：這是消除在短路故障事件中由于最小導通時間而造成的電流失控風險的另一種有效方案。當檢測到過流事件時，峰值電流限制電路會限制占空比，從而減小輸出電壓。當反饋電壓和/或導通時間低于編程好的閾值時，頻率折返功能會降低開關頻率。通過降低頻率來滿足苛刻的占空比要求可以實現更長的導通時間。使頻率保持足夠低的水平（使得要求苛刻的導通時間大于最小導通時間）即可避免電流失控情況。降低頻率還會實現更大電感器電流紋波和更低的輸出電流。頻率將在短路事件消除后自動恢復到正常值。

B. 反向電流限制
在具有二極管整流的非同步降壓轉換器中，電感器電流始終為正。相反，當同步降壓轉換器在強制連續導電模式（FCCM）下工作時，電感器電流可沿任一方向流過低邊MOSFET。如果輸出電壓意外上升到超過輸出設置點，則將有一個大的負電流從VOUT流向PHASE節點，并通過低邊MOSFET流向地面。過大反向電流還會導致穩壓器故障。

如上文所討論的，峰值電流限制和谷值電流限制只能限制正向電流，但不能限制反向電流。這時就需要額外的反向電流限制電路。在有反向電流流過低邊MOSFET，并超過預設的反向電流限制閾值時，強制關斷低邊MOSFET。

二級OCP方案

逐周期電流限制通過將最大電流限制在預設水平，提供迅速的第一級保護。在連續最大電流條件下工作的開關穩壓器會面臨溫度大幅上升，有些情況下甚至可能達到熱關斷閾值。發生這種情況時，熱關斷保護電路將關斷開關穩壓器，防止其受損。當穩壓器關斷時，溫度逐步下降。在穩壓器充分冷卻后，自動從熱關斷狀態中恢復。在持續故障事件中，穩壓器在峰值電流限制和熱關斷之間循環，這會對穩壓器的長期可靠性帶來損害。這時應當考慮實施兩種二級保護機制（打嗝模式或閉鎖模式），以消除這個顧慮并改善MTBF。

打嗝模式保護：這種保護通常用逐周期峰值電流限制和周期計數電路來實現。在檢測到過流事件時啟動打嗝工作模式。逐周期限制電路隨即做出反應限制峰值電流。然后周期計數電路對開關周期計數。在一定數量的連續周期過后，開關穩壓器關斷一定時間，然后嘗試再次啟動。如果過流事件已消除，則開關穩壓器將啟動并回到正常工作狀態。否則，它將檢測到另一個過流事件并再次關斷，并重復之前的循環。

如圖4所示，在持續故障條件下，穩壓器的工作時間只占打嗝周期的一小部分。在打嗝模式期間，功率損耗和溫度都低很多。因此，與僅采用逐周期電流限制的穩壓器相比，電源可靠性得到了提升。

閉鎖模式保護：像逐周期電流限制方案一樣，打嗝模式OCP也使穩壓器能在故障消除后重新啟動。雖然自動恢復功能在許多應用中很受歡迎，但閉鎖模式保護在其他一些應用中更受青睞，例如在電池供電系統中用于防止電池電量在持續故障條件下耗竭。如圖5所示，閉鎖模式保護會關斷穩壓器，并在檢測到過流事件時將其鎖定。重新啟動穩壓器需要打開ENABLE或 VIN。

許多先進的集成式開關穩壓器都具有內置OCP電路，以保護自身不受過量電流和功率損耗的危害。不同的開關穩壓器可能采用不同的保護方案。來自Intersil的ISL85003、ISL85005和ISL85005A同步降壓穩壓器具有內部峰值電流限制、谷值電流限制和反向電流限制功能，以提供全面的保護。ISL85009、ISL85012和ISL85014同步開關穩壓器也具有這些電流限制功能。此外，他們還提供頻率折返功能，以及打嗝模式和閉鎖模式保護選項，來全面地保護開關穩壓器和提升系統可靠性。

結論

電源設計工程師應當根據其實際應用要求做出合適的選擇。逐周期峰值電流限制通過限制電感器峰值電流為開關穩壓器提供快速保護，保護其不受過量電流的危害。為避免峰值電流限制由于最小導通時間限制而失效，可考慮采用附加的谷值電流限制和/或頻率折返功能。同時不要忘記，反向電流限制可防止大的負灌電流。作為第二級保護，打嗝模式保護可通過減小功率損耗和降低溫度升幅來提升系統可靠性。如果在持續故障條件下不需要自動恢復特性，應當選擇閉鎖模式保護。

關于作者
Haifeng Fan是瑞薩子公司Intersil的電源管理產品首席應用工程師。他負責Intersil開關穩壓器產品的新產品定義、硅驗證和客戶技術支持。Haifeng擁有美國佛羅里達州立大學（塔拉哈西）的電子工程博士學位，浙江大學電子工程碩士學位和華中科技大學的電子工程學士學位。