Buck-Regler

Sicher vor Überstrom durch integrierte Schutzfunktionen

| Autor / Redakteur: Haifeng Fan * / Gerd Kucera

Bild 1: Blockschaltbild eines Abwärtswandlers mit Spitzenwert-Stromregelung.
Bild 1: Blockschaltbild eines Abwärtswandlers mit Spitzenwert-Stromregelung. (Bild: Intersil)

Wie schützt man Abwärtsregler bestmöglich gegen Überstrom? Die synchronen Buck-Regler ISL850XX integrieren dazu eine Spitzen-, Tal- und Rückstrombegrenzung und vereinfachen die Entscheidung.

Dieser Beitrag beschreibt mehrere Lösungen, um einen Überstromschutz in Abwärtsregler zu implementieren. Auch praktische Überlegungen aus der Sicht von Entwicklern für Stromversorgungen werden näher untersucht, damit diese die richtige Entscheidung für ihre Anwendungen treffen können.

Überstromschutz mit zyklusweiser Strombegrenzung

Abwärtsregler mit Stromregelung (CMC; Current-Mode Control) sind aufgrund ihrer vielen Vorteile äußerst beliebt. Einer der Hauptvorteile ist die zyklusweise Strombegrenzung durch bloßes Klemmen der COMP-Spannung. Bild 1 zeigt das Blockschaltbild eines Abwärtswandlers mit Spitzenwert-Stromregelung, der als Beispiel zur Veranschaulichung der verschiedenen Überstromschutzlösungen verwendet wird.

Um die Strombegrenzung zu ermöglichen, muss der Induktorstrom gemessen werden. Zu den am häufigsten verwendeten Methoden für die Stromerfassung zählen die Widerstands-, die Induktor-DCR-, die Leistungs-MOSFET-RDS(on)- und die SenseFET-Stromerfassung. Aufgrund der hohen Genauigkeit und der vernachlässigbaren Verlustleistung findet sich vor allem die SenseFET-Stromerfassung in Schaltreglern wie Intersils synchronen Abwärtsreglern ISL85005 und ISL85014.

Die Technik basiert auf dem Prinzip angepasster Bausteine, bei denen der Strom in den Leistungs-FET und den SenseFET umgekehrt in Bezug auf ihre Widerstände aufgeteilt wird. Ein sehr hohes Verhältnis des Leistungs-FET-Widerstands zum SenseFET wird oft gewählt, da der im SenseFET fließende Strom nur ein kleiner Bruchteil des Stroms im Leistungs-FET ist. Für die Stromerfassung kann daher ein Signalpegel-Widerstand verwendet werden, ohne dabei einen signifikanten Leistungsverlust einzufügen.

Die erste OCP-Stufe mit zyklusweiser Strombegrenzung, die Entwickler von Stromversorgungen implementieren können, ist a) die Spitzenstrombegrenzung, gefolgt von b) der Rückwärtsstrombegrenzung. Später besprechen wir nachgelagerte Schutzmaßnahmen, wenn anhaltende Fehlerereignisse auftreten.

Design-Betrachtungen zur Spitzenstrombegrenzung

In einem Abwärtswandler mit Spitzenwert-Stromregelung leitet das Taktsignal den Schaltzyklus ein. Dann schaltet sich der High-Side-Schalter ein und der Induktorstrom wird hochgefahren. Dieser wird erfasst und mit dem Regelsignal (VCOMP) verglichen.

Erreicht der Induktorstrom VCOMP, wird der High-Side-Schalter ausgeschaltet und der Induktorstrom sinkt, bis die nächste Schaltperiode beginnt. Durch das Klemmen von VCOMP kann der Spitzeninduktorstrom auf ein gewünschtes Niveau begrenzt werden. Bild 2 zeigt das Stromsignal im Normal- und Strombegrenzungsmodus.

Theoretisch wird, sobald der Induktorstrom die Spitzenstrombegrenzungsschwelle erreicht, der High-Side-Einschaltimpuls sofort beendet, um den Induktorstrom unterhalb der Spitzenstrombegrenzungsschwelle zu halten. Eine reelle PWM-Steuerung weist jedoch eine minimale Einschaltdauer auf. Nachdem der Takt einen neuen Schaltzyklus eingeleitet hat, muss der High-Side-Schalter mindestens für die minimale Einschaltdauer eingeschaltet bleiben, bevor er ausgeschaltet werden kann – auch wenn der Induktorstrom die Spitzenstromschwelle erreicht.

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