齐人蒯通,说韩信曰:“臣闻勇略震主者身危,而功盖天下者不赏。今足下戴震主之威,挟不赏之功,归楚,楚人不信;归汉,汉人震恐。足下欲持是安归乎?” - 《史记·淮阴侯列传》
在楚汉相争的关键时期,蒯彻劝韩信脱离刘邦而自立,三分天下。他强调人臣最终会面临天花板困境,当勇略与功绩威胁君主权威时,将面临无法封赏甚至被迫害的困境。
在手机电路中,Buck广泛用于平台和外设的供电,有的Buck芯片集成了一个叫做“峰值电流限制”的feature,也像设置了一道天花板一般,一旦触及,便立即采取行动,很多Buck都集成了这个feature,举例如下图:

峰值电流限制,Peak Current Limit,既是控制模式,也可以理解为Buck芯片内部的一种保护功能。能够防止流过开关管的电流超过安全值,以保护芯片免受过大电流应力而损坏。
而如果想讲清楚这个功能,则需要从电流模式控制器说起。
电流模式控制器
开关电源中,最早的奉行的模式是电压控制模式(Voltage Mode Control, VMC),尔后才发展为电流控制模式(Current Mode Control, CMC)。如下图,为电压控制模式的框图,可见仅有电压环路控制,即只监测输出电压,与基准电压比较后,其误差信号再与锯齿波进行比较,然后直接控制PWM的占空比。
电压控制模式与当今职场“结果导向”的文化相似,只盯着输出电压这个唯一的KPI,只问业绩,不问过程。

而电流控制模式则是在电压控制模式基础上引入了电流环,成为双环路控制。它同时监测输出电压(外环)和电流(内环)。电流内环直接控制每个周期的峰值电流,电压外环则为内环提供电流基准,如下图所示。

可见电流控制模式属于过程与结果双重管理了,既看最终输出电压是否达标,也实时监控每个开关周期的峰值电流,系统性更好。
峰值电流限制实现过程
电流模式控制由于诸多优点得到了广泛的应用,而其优点之一便是逐周期(Cycle-by-cycle )电流限制功能,如果在逐周期时采样峰值电流进行控制,便成为了所说的峰值电流限制。
下面讲述实现过程:
- 控制电流的第一步是感应电流,BUCK IC的电流采样方式很多,有电阻采样、电感直流电阻(DCR)采样、MOS RDS_ON采样,其中MOS RDS_ON采样方式用的较多。上图便是采样Buck上管RDS_ON的电流,即上管导通期间,通过上管本身的导通电阻来感知电流,此时上管的电流其实就是电感的电流,上管电流峰值将等于电感电流峰值。
- 采样电流值经过斜坡补偿后送到同相输入端,与反相输入端的Vcomp进行比较。
- 一旦采样电流值达到Vcomp的水平,上管便会关闭,从而切断电感电流上升的路径,随后电感电流不得不下降。然后芯片会等待下一个时钟周期到来,再重新开启上管。如果电流采样值仍然顶着Vcomp,则这个“检测-关断”的过程会反复进行,故被称为逐周期限流。
可见,通过夹紧Vcomp,便能限制峰值电流的水平,下图展示了相关的波形。

逐周期限流的动作在每个开关周期内独立进行,响应速度快(纳秒级),任何风吹草动都及时感知到,然后并执行相关措施。
与过流保护的区别
峰值电流限制与过流保护乍一听容易混淆,作为工程师,我们自己应当门清。
- 峰值电流限制是逐周期的,是实时、快速的,一超标就掐;
- 而过流保护通常指全局的、可能基于平均输出电流的保护,速度肯定慢于峰值电流限制,而且其动作可能是直接锁死或者打嗝等。
但两者并非全无关联,可以把逐周期限流看成第一级保护。但仅有第一级防护是不够的,否则连续工作在最大电流,可能导致芯片发热损坏,故需要引入第二级保护。
如下图,某些Buck芯片会在逐周期限制峰值电流的基础上,利用循环计数电路对开关周期进行计数,达到预设的计数值后,会切换为打嗝保护。在打嗝保护状态下,平均功耗和温升都很低,避免了芯片在故障状态下把自己整坏。

其他考虑因素
1、电感选型
这是很关键的一点,电感的选型要与峰值电流限制值匹配,电感的饱和电流必须大于芯片的峰值电流限制值,甚至要留有余量。否则电感会先于芯片峰值电流限制值而饱和,便失去限制电流爬升的作用,容易导致芯片失控,降低产品的可靠性。
2、芯片标称电流
很多Buck芯片标称一个电流值,但这通常指的是峰值电流限制值,而不是它能持续输出的平均电流。但是这两个电流之间是有关联的。
下图展示了Buck中各个电感电流参数的含义,是掌握Buck的关键,值得细细品味。
如果你的Buck电源,电感纹波电流较大(例如 1A),那么当芯片峰值限制在3A时,那么你实际能从负载拉出的平均电流只有约2.5A。计算公式为I_peak_limit - ΔIL/2,其中ΔIL是电感纹波电流。
在极端情况下,如果ΔIL设计不当,芯片会频繁触发峰值电流限制,导致输出电压跌落,无法达到预期的输出能力。

3、误触发
在启动时刻或负载阶跃等场景下,必须确保瞬态电流不会误触发峰值电流限制,否则可能导致启动失败或系统不稳定。
4、消隐时间
消隐时间,Blanking Time,当开关管刚导通瞬间,由于寄生参数(如开关节点振铃、二极管反向恢复等),电流采样信号会有很大的噪声尖峰。为了防止误判,芯片通常会设置一个极短的消隐时间,在此期间不检测电流。这意味着在导通初期,电流实际上处于无政府状态,是不受控的,存在超过设定的限流值的可能性,需要加以注意下。
总结
峰值电流限制实时监控开关电流,并在超过安全阈值时立即动作,提供了至关重要的逐周期保护,是确保开关电源可靠性和鲁棒性的基石功能。