Buck-Regler Sicher vor Überstrom durch integrierte Schutzfunktionen

Autor / Redakteur: Haifeng Fan * / Gerd Kucera

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

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

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.

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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.

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.

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.

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.

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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