Buck-Regler

Sicher vor Überstrom durch integrierte Schutzfunktionen

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Die nachgelagerte Überstrombegrenzung

Die zyklusweise Strombegrenzung ermöglicht einen schnellen Schutz auf erster Ebene, indem der maximale Strom auf einem voreingestellten Pegel begrenzt wird. Ein Schaltregler, der mit kontinuierlichem Maximalstrom arbeitet, weist einen hohen Temperaturanstieg auf und kann in einigen Anwendungen die thermische Abschaltung aktivieren. Ist dies der Fall, dann schaltet eine thermische Schutzschaltung den Regler ab, um Schäden zu vermeiden.

Ist der Regler ausgeschaltet, kühlt er ab. Sobald er ausreichend abgekühlt ist, erholt er sich automatisch aus diesem thermischen Abschaltzustand. Bei einem anhaltenden Fehlerereignis schaltet der Regler zwischen Spitzenstrombegrenzung und thermischer Abschaltung hin und her, was die langfristige Zuverlässigkeit des Reglers beeinträchtigt. Zwei nachgelagerte Schutzmechanismen (Hiccup- oder Latch-Off-Modus) sollten berücksichtigt werden, um dieses Problem zu adressieren und die MTBF zu verbessern.

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Hiccup-Modus-Schutz: Dieser Schutz wird meist zusammen mit zyklusweiser Spitzenstrombegrenzung und einem Zykluszähler implementiert. Der Hiccup-Betrieb wird eingeleitet, wenn ein Überstromereignis erkannt wird. Die zyklusweise Begrenzungsschaltung begrenzt den Spitzenstrom. Dann zählt der Zykluszähler die Schaltzyklen. Nach einer gewissen Anzahl aufeinanderfolgender Zyklen wird der Schaltregler für eine vorgegebene Zeit ausgeschaltet und versucht dann erneut zu starten.

Wurde der Überstromzustand beseitigt, startet der Schaltregler und kehrt in den Normalbetrieb zurück. Andernfalls wird ein weiteres Überstromereignis angezeigt und der Regler wieder abgeschaltet, wobei der vorherige Zyklus wiederholt wird. In einem anhaltenden Fehlerzustand arbeitet der Regler nur für eine kurze Dauer im Hiccup-Zyklus (Bild 4).

Während des Hiccup-Modus ist die Verlustleistung und Temperatur viel niedriger. Infolgedessen verbessert sich die Zuverlässigkeit der Stromversorgung gegenüber Reglern, die nur eine zyklusweise Strombegrenzung bieten.

Latch-off-Modus-Schutz: Wie bei der zyklusweisen Strombegrenzung ermöglicht auch die Hiccup-Modus-Überstrombegrenzung, den Regler neu zu starten, nachdem der Fehler beseitigt wurde. Während die Auto-Recovery-Funktion in vielen Anwendungen beliebt ist, kann der Latch-Off-Modus-Schutz in anderen Anwendungen bevorzugt werden, wie beispielsweise in batteriebetriebenen Systemen, um unnötige Batteriebelastungen bei anhaltenden Fehlerzuständen zu vermeiden.

Bild 5 beschreibt, wie der Latch-Off-Modus-Schutz den Regler abschaltet und ihn schützt, wenn ein Überstrom erkannt wird. Für den Neustart des Reglers ist ein Ausschalten von ENABLE oder VIN erforderlich. Viele fortschrittliche integrierte Schaltregler verfügen über eine integrierte Überstrombegrenzung, um sich vor übermäßigem Strom und Verlustleistung zu schützen. Verschiedene Schaltregler haben unterschiedliche Schutzsysteme.

Die synchronen Abwärtsregler ISL85003, ISL85005 und ISL85005A von Intersil bieten eine integrierte Spitzenstrombegrenzung, Talstrombegrenzung und Rückstrombegrenzung, um umfassende Schutz zu bieten. Die synchronen Schaltregler ISL85009, ISL85012 und ISL85014 bieten ebenfalls diese Strombegrenzungsfunktionen. Darüber hinaus besitzen sie eine Frequenz-Foldback-Funktion und einen Hiccup-Modus- sowie Latch-off-Modus-Schutz, um die Schaltregler vollständig zu schützen und die Systemzuverlässigkeit zu erhöhen.

Fazit: Entwickler von Stromversorgungen sollten basierend auf den Anforderungen ihrer Anwendung die geeignete Entscheidung treffen. Eine zyklusweise Strombegrenzung bietet Schaltreglern einen schnellen Schutz vor übermäßigem Strom, indem der Induktor-Spitzenstrom begrenzt wird. Um den Ausfall der Spitzenstrombegrenzung zu vermeiden, bedarf es aufgrund der Mindesteinschaltzeiten eine zusätzliche Talstrombegrenzung und/oder Frequenz-Foldback-Funktion.

Denken Sie daran, dass die Rückstrombegrenzung vor einem hohen negativen Senkenstrom schützt. Als nachgelagerter Schutz erhöht der Hiccup-Mode-Schutz die Systemzuverlässigkeit, indem sowohl die Verlustleistung und als auch der Temperaturanstieg verringert werden. Falls die automatische Wiederherstellungsfunktion bei anhaltenden Fehlerzuständen nicht erwünscht ist, sollte der Latch-Off-Modus-Schutz gewählt werden.

* Haifeng Fan ist Principal Applications Engineer für Power-Management-Produkte bei Intersil (ein Renesas-Unternehmen).

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