在开关电源中如何实现过流保护电路的设计？

在开关电源中，过流保护（OCP）电路是至关重要的安全机制，用于在输出过载或短路时限制电流，防止功率开关管（如MOSFET）、磁性元件（如变压器、电感）等关键部件因过热而损坏。设计实现过流保护主要有以下几种核心方法：

1. 电阻采样电流检测（最常用）

原理： 在主电流路径上串联一个低值、高功率、低电感的采样电阻（也称为检流电阻）。电流流过电阻会产生一个与其成正比的电压降（V_sense = I_load * R_sense）。检测这个电压降来判断电流是否超过阈值。
位置选择：
- 高端检测（High-Side）： 采样电阻串联在输入正端和开关管（上管）之间。优点：可直接监控输入电流，方便区分输入问题。缺点：检测电路需要浮动供电或电平移位处理。
- 低端检测（Low-Side）： 采样电阻串联在开关管（下管）和地之间。最常见且易于实现。检测电路工作在地电位，设计简单，成本低。优点：电路简单，无共模电压问题。缺点：无法直接检测上管或输入电流。
- 输出侧检测： 采样电阻串联在输出电感之后。适用于仅关心输出电流的场景。
关键设计点：
- 电阻值(R_sense)： 权衡精度（需较大V_sense）和功耗/效率（需较小V_sense）。通常选择几百毫欧到几欧姆，使得额定电流下的V_sense在几十毫伏到几百毫伏范围内。必须能承受最大预期电流脉冲（如短路瞬间）的功率（P = I² * R）。
- 电压检测电路：
  - 直接比较： V_sense直接送入比较器的一个输入端（如电源管理IC的OCP引脚）。比较器的另一个输入端接一个精确的参考电压V_ref。当V_sense > V_ref时，比较器输出翻转触发保护。
  - 放大器+比较： 对于V_sense非常小的情况，先用高精度、低失调的差分放大器（如仪表放大器）放大V_sense到一个更易处理的电压，再送入比较器。
- 参考电压(V_ref)设定： 通常由一个精密电阻分压网络从基准电压（如TL431、Bandgap）获得。调整分压比可设定OCP触发阈值I_ocp = V_ref / R_sense。
- 滤波： V_sense信号通常需经过一个小的RC滤波器滤除高频开关噪声，避免误触发。时间常数必须远小于电源控制环路的响应时间（通常<10%开关周期）。
- 布局： 极其关键！ 采样电阻到检测引脚的走线必须非常短、直，最好是开尔文连接（四线制），避免回路电感引入噪声或误差。避免高频电流回路靠近该检测路径。

2. 电流互感器采样

原理： 利用互感器（CT）的电磁感应原理。主电流穿过互感器磁芯，在次级绕组上感应出与主电流成比例的交流电流（次级接地时需要电流检测电阻）。然后将此电流信号转换成电压信号进行检测。
位置： 常用于原边检测（原边电流）。
优势：
- 隔离： 原副边电气隔离，安全性高。
- 低损耗： 采样电阻在主回路，仅互感器次级有损耗。
- 处理高压/大电流能力强。
关键设计点：
- 互感器参数： 匝比（N1:N2）、磁芯饱和特性、线性范围必须与待测电流相匹配。
- 次级负载电阻(R_burden)： 将次级的感应电流转换为电压V_burden = I_pri * (N2/N1) * R_burden。选择R_burden时要保证在最大检测电流时不使CT饱和。
- 检测电路： 处理交流电压信号。通常需要整流和滤波，再用比较器设定阈值。或者用专用的平均值/峰值检测电路。对响应速度要求极高时，可直接比较交流波形（需要双极性比较器）。

3. MOSFET导通电阻采样

原理： 利用功率MOSFET在导通时其漏极-源极之间的导通电阻Rds(on)。当电流流过时，V_ds = I_d * Rds(on)。通过检测这个V_ds(on)电压来判断电流。
关键设计点：
- 放大困难： Rds(on)通常很小（毫欧级），V_ds(on)也很小（几十到几百毫伏），且发生在Vds较高（相对于地）的节点。
- 精密放大： 需要高共模抑制比、高精度的差分放大器或仪表放大器。布局同样需要非常仔细（开尔文连接）。
- 温度漂移： Rds(on)随温度升高显著增大，导致检测误差。需要温度补偿电路。
- 一致性： 同一型号MOSFET的Rds(on)存在离散性。
- 复杂性： 在多相或多开关管并联应用时，需要分别检测或进行均衡处理。
优势： 避免了外置采样电阻的损耗，成本略低（省了一个电阻），理论上无额外的传导损耗。
适用性： 常集成在某些高端MOSFET驱动器或专用电源管理IC内部。

比较阈值设定与保护逻辑

过流响应类型：
- 逐周期限流： 最常见的类型。只要在一个开关周期内检测到过流，立即终止该周期驱动脉冲。开关动作在下一个周期照常开始。如果过流原因未消除，会在下一个周期再次触发保护，形成周期性关断（打嗝模式的前身）。优点是响应快。缺点：持续大电流冲击可能导致器件过热。
- 打嗝模式： 在检测到过流后，开关动作完全停止一段固定时间（如几百毫秒），然后尝试重新启动。如果故障依旧存在，保护再次激活并计时。如此循环往复直到故障消除。优点是平均功耗低，能有效防止过热并允许电源在故障消除后自动恢复。大多数电源都采用此模式或结合。
- 闭锁关断： 一旦触发保护，电源彻底关闭且锁定在关断状态。需要外部干预（如断电、复位信号）才能恢复。适用于严重故障或需要人工干预确认的场景。
阈值设定精度： 依赖于参考电压源、电阻精度、放大器/比较器失调电压等。

重要设计考虑因素

响应速度： 保护必须在功率器件达到损坏电流/结温之前触发。要求检测和关断电路的总延迟时间足够短。
抗噪声干扰： 在开关噪声严重的环境中，检测电路必须有良好的滤波，比较器可能需要内置或外挂小滞回电压，防止误触发。
温漂补偿： 对于电阻采样法和MOSFET导通电阻法，需要关注检测电阻R_sense和MOSFET Rds(on)随温度的变化，并可能需要对参考电压进行反向补偿。
故障检测范围： 确保设计能检测到从轻度过载到完全短路的各种情况。
启动时的浪涌电流： 开关电源启动或带大容量容性负载启动时会出现浪涌电流。保护电路必须能够区分这个正常的浪涌和真正的过流故障，通常通过增加延时、软启动电路或设定较高的启动保护阈值（如打嗝模式中启动期间阈值更高）来解决。
布局布线： 极其重要，尤其是对电阻采样电路。短而宽的走线、开尔文连接、远离噪声源是保证精度和可靠性的关键。
芯片集成方案： 现代开关电源控制器（PWM IC）、驱动IC或集成电源模块通常内置了基于电阻采样的OCP功能。设计者只需选择合适的外部采样电阻、设定分压比并精心布线即可。这是最快捷可靠的方式。
仿真与测试： 使用电路仿真软件（如LTspice, PSpice）在关键工况下验证保护逻辑；实物测试时需要使用电子负载模拟各种过载和短路场景，验证保护点设定准确度、响应速度及重复性。

总结实现步骤

确定过流保护点(I_ocp)和响应模式(如打嗝)。
选择合适的检测方法：
- 对于多数中小功率场景，低端电阻采样集成在控制器内是最常用、简单可靠的选择。
- 大功率、原边需要隔离或对效率有极致要求时，可考虑电流互感器(CT)。
- MOSFET导通电阻采样集成在驱动IC中可用，但外部设计放大补偿较复杂。
计算和选择检测元件： 根据I_ocp计算R_sense值及功率，或CT匝比及R_burden电阻。
设计检测放大/比较电路（如未集成）： 包括放大器（如果需要）、比较器、参考电压源（V_ref）和分压网络。
添加噪声抑制： RC低通滤波器（时间常数需权衡）。
实现保护逻辑： 利用PWM控制器的内置OCP功能（通过设定引脚电压或外接电阻）或外部逻辑/微控制器来实现期望的保护响应模式（逐周期、打嗝、闭锁）。
考虑启动和异常状况： 设计软启动、区分浪涌电流。
精确、稳健的PCB布局。
全面的仿真和严格的硬件测试验证。