PWM 控制通过改变占空比快速开关设备来管理功率。过流保护功能会检测电流，并快速调整或关闭 PWM 信号以防止损坏。
在实际功率级中，不能将这些功能视为独立的模块。PWM 开关产生电流，而保护电路也必须作用于同一个开关。过流保护 (OCP) 响应过慢会导致硬件容易受到过流损坏。
集成至关重要，因为检测、决策和关断共用一个控制回路。您将了解占空比如何设定输出、传感如何捕获故障，以及控制器如何安全地运行这三个功能。
关键精华
PWM控制利用占空比来有效地设置输出电压。
过电流保护装置会迅速切断开关，以防止损坏。
快速电流检测和响应对于安全至关重要。
软启动和延迟时间有助于防止误触发和直通。
清晰的传感网络确保保护和控制工作准确无误。
脉宽调制控制基础知识
占空比和平均输出
脉冲宽度调制（PWM）将稳定的直流输入信号分割成导通和关断周期。每个导通脉冲的宽度决定了有多少能量到达负载。这是PWM控制的核心原理。
占空比是指每个周期内开关保持导通的时间比例。PWM波形的平均值可以简单地表示为：平均输出电压等于占空比乘以峰值电压。例如，占空比为0.5，峰值电压为12V时，平均输出电压为6V。提高占空比，输出电压升高；降低占空比，输出电压降低。正是这种直接联系使得PWM输出控制能够实现如此精确的调节。
切换、滤波和效率
原始的PWM信号是一连串脉冲，而不是一个稳定的电平。电感和电容滤波级将这些脉冲平滑成一个干净的输出电压。该滤波器可以消除大部分开关纹波，只留下一个很小的、预期的波动。
这种开关方式比线性稳压效率高得多。在 12V 至 3.3V 的同步降压设计中，开关电源的效率通常超过 90%，而同等功能的线性稳压器效率则低于 27.5%。这种差距源于两者处理额外能量的方式不同。线性稳压器会将多余的能量以热量的形式消耗掉，而开关电源则以数据包的形式传输能量，因此损耗极低。
大多数基于PWM的控制电路都遵循这种模式。任何PWM电源电路都包含相同的基本组成部分：开关、滤波器和反馈回路。PWM电源电路图清晰地展示了这些部件。控制器监测输出电压并调整占空比以保持其稳定。正是这种闭环控制使得PWM电源在负载变化时仍能可靠运行。开关电流得到控制，输出电压保持稳定。
过电流保护基础知识
当前传感方法
在采取任何保护措施之前，您需要一种方法来测量电流。电阻分流检测是最常用的方法。它测量已知阻抗上的电压降，因此直接遵循欧姆定律。分流电阻器适用于开关电源，因为它们成本低廉且易于理解。但它们会以热量的形式损耗功率，并且不提供隔离。
霍尔效应传感器避免了这种插入损耗。但它们的成本更高，而且需要外部电源。电流互感器仅适用于交流电，因此不能用于直流电源。下表比较了三种主要方案。
付款方式 | 我们的强项 | 极限 |
|---|---|---|
电阻分流器 | 成本低、简单、应用广泛 | 插入丢失，无隔离 |
霍尔效应 | 无插入损耗 | 成本较高，需要外接电源 |
电流互感器 | 隔离，零负载时无偏移 | 仅限交流电，窄频范围 |
分流电阻通过持续监测电路中的电流来提供过电流保护。当过电流超过安全限值时，它会触发断电。
阈值和响应时间
峰值电流限制功能检测顶部开关。您可以设置峰值电流限制阈值，当开关电流超过该阈值时，控制器会跳闸。峰值电流限制功能在一个开关周期内即可响应。谷值电流限制功能则监测底部开关。它可以捕获在开关断开期间出现的过电流故障。
响应时间决定了到达硬件的故障电流大小。缓慢的跳闸会导致电流远超阈值。快速的逐周期限流可以立即停止脉冲。然后，检测逻辑通过关闭 PWM 信号来切断电源。这就是峰值电流控制 (CMC) 降压转换器内部过流保护 (OCP) 的工作原理。电流模式控制 (CMC) 降压转换器在每个开关周期都依赖于此回路。峰值限流还设定了顶部器件的跳闸点。对于快速故障，您需要依赖峰值限流。峰值限流和谷值限流协同工作。同样的方案也适用于保护标准降压转换器和任何电流模式控制设计。逐周期限流还可以防止输出短路。这种保护机制确保 OCP 响应快速且可预测。
脉宽调制 (PWM) 和过流保护如何相互作用
过流检测和PWM响应
控制器在每个开关周期检查电流。它将检测到的电流值与峰值电流限制阈值进行比较。当电流值超过该阈值时，控制器会关闭开关。这是故障下PWM控制的核心原理。峰值电流限制作用于顶部开关。
检测路径遵循固定顺序：
分流电阻器或检测放大器产生与电流匹配的信号。
控制器将该信号与阈值进行比较。
驱动器关闭 MOSFET，使其导通状态提前结束。
当液位低于下限时，开关会重新开启。
最终得到的是一个平均值随负载变化的三角PWM波形。在峰值CMC降压转换器中，同样的比较方法可以设定顶部器件的触发点。
这里的关键在于边沿控制方案。PWM信号的上升沿直接通过二极管，而下降沿则被控制以导通。这种分离方式使得控制器能够在不干扰栅极驱动器的情况下缩短脉冲。
错误的检测网络会误导整个回路。在基于 TPS40090 的设计中，随着输入电压的升高，开关信号变得不稳定，软启动端持续充电。过压和欠压保护已被排除，剩下的疑点是过流。由于 CSCN 引脚吸收了大量的灌电流，它始终无法达到预期的 1.5V 参考电压。这种波动错误地触发了保护。使用低阻抗源驱动检测网络，可以保持阈值的准确性。
关机、占空比限制和软启动
控制器具有多种响应工具。每种工具都在速度和压力之间进行权衡。
机制 | 响应 |
|---|---|
峰值电流限制 | 在阈值处关闭高侧开关 |
谷电流限制 | 当谷电流过高时，跳过下一个周期。 |
打嗝模式 | 多次尝试后自动关闭，然后重试。 |
闩锁关闭模式 | 直到您切换“启用”或“VIN”按钮后才会关闭。 |
慢启动 | 限制首次通电时间，以便输出电容器缓慢充电。 |
关断和锁存机制用于处理长时间故障。打嗝模式可降低功耗和发热量。锁存模式可防止电池电量耗尽。这两种机制都位于快速层之上。峰值电流限制处理第一个脉冲。逐周期电流限制确保每个脉冲持续时间较短。第二个逐周期电流限制级用于计数跳闸次数。经过设定的循环次数后，过流保护 (OCP) 逻辑会关闭稳压器。然后，OCP 路径会重试或锁存。无论哪种方式，OCP 响应都保持可预测性。
软启动可以保护启动窗口。开机时较长的导通时间会导致电感电流持续上升，电感器可能饱和，开关电流也可能出现尖峰。较短的初始导通时间可以让输出电容在没有浪涌电流的情况下充电。峰值电流限制功能可以抑制此上升过程中的脉冲。这是您可以添加的最简单的过流保护机制。
任何PWM电源内部都遵循相同的逻辑。开关电源依靠闭环反馈控制来保持输出稳定。该反馈控制环路也承载故障信号。脉冲宽度调制设定正常工作点。当电流过载时，过流保护（OCP）路径会覆盖正常工作点。在一种PWM输出控制方案中，您可以同时看到这两种作用。在许多设计中，输出电压控制和限流共用同一个比较器。电流模式控制清晰地展示了这种共享。
考虑一个 12V 转 3.3V 的降压转换器，负载为 5A。启动时，输出电容表现得像短路一样。如果没有软启动，峰值电流限制会在第一个脉冲时触发。逐周期电流限制会缩短脉冲持续时间，输出电压缓慢上升。而采用软启动后，占空比会缓慢增加。电流保持在限制值以下，电路能够平稳地达到稳压状态。
PWM保护设计考虑因素
传感精度和抗噪性
必须在传感精度和抗噪声能力之间取得平衡，这是一个艰难的权衡。现代宽禁带转换器在高开关频率下会产生强烈的电磁干扰 (EMI)。这种噪声会导致误检和错误测量。保护传感器必须快速检测故障电流，但同时也必须能够承受极高的故障电流并抑制开关噪声。没有任何一种方案能够同时满足精度、速度、尺寸、热稳定性和抗电磁干扰能力这六大要求。
设计目标 | 权衡/成本 |
|---|---|
更高的传感精度 | 可能会增大传感器尺寸 |
提高抗噪能力 | 可能需要更复杂的电路 |
分流电阻 | 带宽宽，但隔离度差，精度随温度变化 |
罗戈夫斯基线圈 | 高频感应性能良好，但无法检测直流电 |
在线（相位）传感能够最精确地反映负载电流，因为无论开关状态如何，传感器始终与负载串联。但这也使得传感器处于噪声最严重的位置：共模电压在PWM开关频率下于直流母线和地之间摆动，导致传感器承受极大的dV/dt瞬态变化。这就需要强大的电气隔离和优异的共模瞬态抗扰度（CMTI），以防止高频PWM噪声干扰模拟输出——因此，在此位置获得最高精度会直接增加设计的抗噪负担。
电源设计中良好的PWM控制始于一个干净的检测网络。使用低阻抗电源驱动检测节点。保持峰值电流限制阈值在不同温度范围内稳定。噪声较大的检测线路可能会在正常负载下触发过流保护（OCP）路径。
死区时间和故障处理
实际上，在真正的半桥中，需要预留一些时间以避免穿透。
具有两个输出的半桥电路需要在上下栅极信号之间留出间隙。如果没有这个间隙，两个开关将同时导通。此时，直流母线会驱动巨大的电流流过这对开关。控制器必须设置死区时间或防止重叠，以阻止这种直通路径。
一个实际示例展示了各个部件如何协同工作。假设一个峰值电流控制（CMC）降压转换器将 12V 电源轨连接到一个短路负载。峰值电流限制阈值在第一个脉冲时触发。峰值电流限制会切断高侧开关。逐周期电流限制会保持每个脉冲的短路状态。经过多次触发后，过流保护（OCP）逻辑会锁定关闭。峰值电流限制和逐周期电流限制在这里协同工作。同样的模式可以保护任何 PWM 电源。您可以在 PWM 电源电路图或 PWM 电源电路中找到它。PWM 波形保持干净，并且在清除故障后输出电压会恢复。开关电源依赖于这种分层响应机制。
PWM 控制提供高效的功率调节。过流保护确保安全。两者协同工作，可在不影响正常运行的情况下提供快速可靠的保护。一个控制回路监测输入电压、负载和电流，然后驱动开关。该回路内置安全保护机制，可根据信号做出反应。故障响应开关功能使 PWM 门控能够在过流事件发生时立即切断电源。内置诊断功能会在故障发生时立即报告故障。
您必须在传感精度和抗噪性之间，以及死区时间和直通风险之间取得平衡。OCP路径只有在传感网络保持清洁时才能正常工作。现代设计追求更快的开关速度和更窄的电压轨。这使得这种组合方法成为必然之选，而非可选项。您的输出电压将保持稳定，硬件也能在故障中幸存下来。
常见问题解答
为什么缓慢触发的保护机制会损坏硬件？
缓慢的跳闸会导致故障电流在开关断开前远远超过阈值。额外的电流会给 MOSFET 和电感器带来压力。快速的逐周期限流则能将每个脉冲都停止在限值处，因此硬件不会遇到失控电流。
能否使用一个检测电阻同时实现稳压和保护功能？
是的。许多控制器在反馈回路和限流器之间共用一个比较器。同一个分流信号既用于设定正常工作点，也用于设定触发点。这样可以节省元件和电路板空间，但检测网络必须保持简洁，才能同时满足这两个功能。
控制器发生故障跳闸后会发生什么？
首次响应会切断脉冲。重复触发后，将进入打嗝模式或锁定关闭模式。打嗝模式会在暂停后重试并降低温度。锁定关闭模式会保持关闭状态，直到您切换使能引脚或循环输入电压。
为什么直通电流会导致过电流事件？
两个开关同时导通，导致直流母线驱动巨大的电流直接流过这对开关。过流保护电路可能会跳闸，但应力会迅速传递。可以通过设置死区时间或阻止两个门极信号重叠来防止这种情况发生。
软启动可以取代过电流保护吗？
不。软启动仅限制首次导通时间，因此输出电容充电缓慢，电感电流保持较低水平。真正的短路仍然需要限流。软启动和保护是叠加的，而不是替代的。
