Buck-Regler

Sicher vor Überstrom durch integrierte Schutzfunktionen

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Bei einem Kurzschlussfehler führt die extrem niedrige Ausgangsspannung zu einem langsamen Absinken des Induktorstroms während der High-Side-Ausschaltzeit. Der Abwärtswandler muss mit einem sehr kleinen Tastgrad arbeiten, um den Induktorstrom unterhalb der Spitzenstromschwelle zu halten. Wenn die von der Regelschleife geforderte Einschaltzeit kleiner als die minimale Einschaltdauer ist, hält der Regler den High-Side-Schalter für den Zeitraum minimaler Einschaltdauer im eingeschalteten Zustand.

Infolgedessen steigt der Induktorstrom bei jedem Schaltzyklus und überschreitet schließlich den eingestellten Spitzenstromschwellenwert. Ein solcher Strom-Runaway lässt sich durch zwei unterschiedliche Lösungen vermeiden, die durch eine minimale Einschaltdauer begrenzt sind: Implementierung einer Talstrombegrenzung und/oder eine Schaltfrequenz-Foldback-Funktion als ergänzender Schutz für die Spitzenstrombegrenzung.

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Die Talstrombegrenzung bietet eine zusätzliche Schutzebene. Die Talstrombegrenzung lässt sich durch Erfassen des Induktorstroms implementieren, wenn der Low-Side-Schalter eingeschaltet ist. Wenn der erfasste Strom am Ende des Schaltzyklus den Talstrombegrenzungswert überschreitet, überspringt der High-Side-Schalter den nächsten Zyklus und bleibt aus, bis der Strom unter die Talstrombegrenzungsschwelle abfällt.

Somit kann die zuvor beschriebene Runaway-Situation (aufgrund der minimalen Einschaltzeit) vermieden werden. Bild 3 illustriert diesen Schutzmechanismus. Der Schaltfequenz-Foldback bietet eine weitere Möglichkeit, einen Strom-Runaway zu verhindern, der durch eine minimale Einschaltzeit bei einem Kurzschlussfehler auftritt.

Wird ein Überstromereignis erkannt, limitiert die Spitzenstrom-Begrenzungsschaltung den Tastgrad und verringert somit die Ausgangsspannung. Wenn die Rückkopplungsspannung und/oder Einschaltzeit kleiner als die programmierte Schwelle ist, verringert die Frequenz-Foldback-Funktion die Schaltfrequenz.

Die niedrigere Frequenz für einen gewünschten Tastgrad wird eine längere Einschaltzeit verursachen. Bleibt die Frequenz niedrig genug (sodass die geforderte Einschaltzeit größer ist als die minimale Einschaltzeit) wird der Strom-Runaway vermieden. Die verringerte Frequenz führt auch zu einer größeren Induktorstromwelligkeit und einem niedrigeren Ausgangsstrom. Die Frequenz erholt sich automatisch nach dem Entfernen des Kurzschlussfehlers auf den Normalwert.

Design-Betrachtungen zur Rückstrombegrenzung

In einem nicht synchronen Abwärtswandler mit Diodengleichrichtung ist der Induktorstrom immer positiv. Im Gegensatz dazu kann der Induktorstrom in einem synchronen Abwärtswandler in beide Richtungen durch den Low-Side-MOSFET fließen, wenn er im FCCM (Forced-Continuous-Conduction-Modus) betrieben wird. Wenn die Ausgangsspannung zufällig über den Ausgangssollwert angehoben wird, fließt ein großer negativer Strom von VOUT zum PHASE-Knoten und durch den Low-Side-MOSFET gegen Masse.

Übermäßiger Rückstrom kann auch zu einem Ausfall des Reglers führen. Wie erwähnt, kann sowohl die Spitzenstrombegrenzung als auch die Talstrombegrenzung nur den Durchlassstrom begrenzen, nicht aber den Rückstrom. Ein zusätzlicher Rückstrombegrenzungskreis ist daher erforderlich. Er zwingt den Low-Side-MOSFET in den ausgeschalteten Zustand – als Reaktion auf den Rückstrom durch den MOSFET, wodurch eine vorgegebene Rückstrombegrenzungsschwelle überschritten wird.

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