我们在设计或测试电路时，可能都遇到过这样的情况：一款标称最大输出电流为3A的DCDC芯片，在实际测试中却能输出超过3A的电流。这不禁让人疑惑：芯片手册上标注的数值到底意味着什么？芯片又是如何判断电流是否超限的呢？
以上图的TPS54302为例，其手册明确标注为3A输出的同步降压转换器。但在实际测试中，你可能会发现负载电流略高于3A时，它依然能正常工作。要理解这一现象，就必须深入芯片手册中常常被忽略的两个关键参数：峰值电流限值和谷值电流限值。
峰值电流限值与谷值电流限值
这两个参数是什么？我们仍以TI的TPS54302为例，其规格书中的相关参数如下图所示：
如何理解这两个值？这需要对Buck电路的工作原理有清晰的认识：
- 当上管（高边MOSFET）导通时，下管关闭，电感电流流经上管并线性上升。
- 当上管关闭时，下管（低边MOSFET）导通，电感电流流经下管并线性下降。
电感电流的整体波形呈现为三角波，如下图所示：
结合这个波形，我们来看TPS54302规格书对其过流保护机制的解释：
- 高边MOSFET过流保护：芯片采用电流模式控制。每个开关周期内，会将流经上管的峰值开关电流与一个内部基准进行比较。当峰值电流达到基准值时，上管立即关断。这个基准值对应的就是“峰值电流限值”(I_LIM_HS)。
- 低边MOSFET过流保护：在下管导通期间，芯片会监控其电流。在每个周期结束时，会将此时电感的谷值电流（即流经下管的电流）与内部设定的另一个基准比较。如果谷值电流超过该基准，则下一个周期上管不会导通。这个基准就是“谷值电流限值”(I_LIM_LS)。
TPS54302的功能框图也清晰地展示了这两个独立的电流检测环路：
如何评估DCDC的实际输出能力？
明白了峰值和谷值电流限值的意义后，如何用它们来评估一个DCDC电路的实际最大输出电流(Iout)呢？很简单，计算出的电感电流峰值和谷值必须同时小于对应的限值。
如上图及推导公式所示，要保证电路不过流，负载平均电流Iout必须同时满足以下两个不等式：
Iout < ILIM_HS - Vout/(2*f_pwm*L) * (1 - Vout/Vin)
Iout < ILIM_LS + Vout/(2*f_pwm*L) * (1 - Vout/Vin)
仔细观察公式会发现，限制条件不仅与芯片固有的ILIM_HS和ILIM_LS有关，还与电感纹波电流密切相关。而纹波电流又取决于输入电压Vin、输出电压Vout、电感值L和开关频率fpwm。
至此，开篇问题的答案已经清晰：DCDC电路的实际最大输出能力Iout并非一个固定值，它与你具体设计的电路参数（Vin, Vout, L, fpwm）强相关。手册标称的“3A”更像是一个在典型应用条件下的保证值。
此外，还有一个重要因素：DCDC芯片的电流检测精度通常不高，导致峰值和谷值电流限值往往是一个范围，不同芯片个体之间存在差异。如下图所示，TPS54302的峰值电流限值范围是4A到5.9A，谷值电流限值范围是3.1A到5.5A，这个范围相当宽。
实例计算：TPS54302设计评估
为了更好理解，我们用一个具体案例来计算。假设用TPS54302设计一个5V输出的DCDC电路，参数如下：
- 输入电压
Vin = 20V
- 输出电压
Vout = 5V
- 开关频率
Fpwm = 400kHz
- 电感值
L = 10uH
- 峰值电流限值
ILIM_HS = 4~5.9A
- 谷值电流限值
ILIM_LS = 3.1~5.5A
将参数代入上述不等式组进行计算，可以得到该电路理论上的最大输出电流范围。
计算结果显示，Iout的范围大约在3.53A到5.43A之间。这意味着在实际测试中，电路的最大输出能力很可能超过标称的3A。当然，这个计算仅基于芯片的过流保护点，实际能否持续工作还需考虑温升、电感公差、频率偏差等其他因素。
这提醒我们，在面对可能出现的瞬时大电流（如电机启动）时，不应简单地认为“按标称值70%降额就绝对安全”，最好根据实际电路设计参数进行理论评估。
另一个例子：MP9943的不同之处
同样是标称3A的DCDC，我们看看MPS的MP9943。它的规格书有点不同：电流限制参数只有一行，没有区分峰值和谷值。
这与芯片内部结构有关。MP9943的电流检测方式不同，它只检测上管（高边）的电流，没有检测下管电流，这从其功能框图可以看出：
因此，对于MP9943，我们只需将手册中的单一电流限值参数ILIMIT视为峰值电流限值(ILIM_HS) 即可，无需考虑谷值电流限值（相当于ILIM_LS为无穷大）。
在相同设计参数下（仅开关频率变为410kHz），代入公式计算（此时只需满足峰值电流限制的不等式）：
计算得到的Iout范围约为2.74A到5.04A。可以看到，其输出能力下限甚至未达到标称的3A，这与TPS54302的情况又有所区别。
总结
本文从DCDC芯片的限流原理入手，揭示了实际输出能力与手册标称值存在差异的根本原因：实际最大电流由峰值/谷值电流限值、输入输出电压、电感及开关频率共同决定，且芯片限流值本身存在公差。
对于硬件工程师而言，在涉及可能冲击电流限值的应用场景时，进行本文所述的理论计算是评估风险、优化设计的重要手段，这比经验性的降额更为精准和可靠。
参考文档：
本文由技术社区云栈社区整理，旨在分享硬件设计中的实用知识。
发表于 前天 09:03
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