基于LM5036的半橋DC / DC電源

2020-12-31

LM5036是高度集成的半橋PWM控制器，集成了輔助偏置電源，可為電信，數據通信和工業電源轉換器提供高功率密度解決方案。LM5036包括使用電壓模式控制來實現半橋拓撲電源轉換器所需的所有功能。該器件適用于輸入電壓高達100V的隔離式DC-DC轉換器的初級側。與傳統的半橋和全橋控制器相比，LM5036具有其不可替代的優勢： 

（1）集成輔助偏置電源，無需外部輔助電源即可為LM5036以及初級和次級組件供電，從而減小了電路板的尺寸和成本，實現了高功率密度和良好的熱可靠性。 

（2）增強的預偏置啟動性能使負載啟動時能夠單調增加輸出電壓并避免吸收電流。 

（3）通過脈沖匹配改善逐周期電流限制，以在輸入電壓范圍內產生均勻的輸出電流限制水平，并防止變壓器飽和。 

脈沖匹配限流保護機制 

恒流限制問題和解決方案： 

在逐周期操作期間，當電流感測信號ISENSE達到正閾值IPOS_LIM時，將激活CBC電流限制操作。在CBC操作期間，電壓環斷開時，控制器實質上表現出峰值電流模式控制。峰值電流模式控制的一個常見問題是當半橋拓撲的占空比大于0.25（0.5降壓轉換器）時發生的次諧波振蕩。 

經驗法則是增加一個補償斜坡，該斜坡的斜率必須至少設置為輸出電感器電流下坡斜率的一半，該電流由電流檢測電阻器轉換到初級側。如果要消除一個開關周期后的次諧波振蕩，則必須將斜率補償設置為輸出電感器電流斜率的兩倍。這稱為無差拍控制。 

但是，在增加斜率補償之后會出現另一個問題。電流限制水平隨輸入電壓而變化，如下圖所示。由于在不同輸入電壓下的斜率補償幅度不同，在給定內部電流限制閾值的情況下，實際電流限制水平會隨輸入電壓而變化。這種機制使得輸出電流限制公差差。需要更多的設計余量，從而導致較差的功率密度。 

LM5036通過匹配主MOSFET的噸數來確保穩定的CBC操作。VIN可調節峰值電流限制閾值，以確保輸出電流限制隨輸入電壓而變化。所有這些功能都由三個CS引腳和相關的外部電阻設置?？梢允褂?span>LM5036設計計算表來計算這些電阻的值。正電流和負電流（導致輸出電壓下降甚至損壞）都將被檢測和限制。 

 

LM5036器件開發了一項新技術-輸入電壓補償。通過在電流檢測信號和斜率補償信號上添加一個附加信號作為輸入電壓的函數，可以在整個輸入電壓范圍內最小化電流限值，從而獲得更精確的輸出功率限值，最大避免輸出功率隨輸入電壓而變化。在LM5036器件中，斜率補償信號是鋸齒電流信號ISLOPE，它在振蕩器頻率（開關頻率的兩倍）下從0增加到50μA（典型值）。 

補償電流檢測信號現在可以推導為： 

 

下圖的左側顯示了LM5036逐周期電流限制的外部電路和LM5036的內部實現。

 

右圖顯示了電流檢測信號的組成?？梢钥闯?，LM5036不僅可以在電流檢測中檢測正向電流，而且可以通過外部RLIM電阻器和內部電流源VLIM提高電流感測的電流值，從而留出了一個測量空間來感測反向電流并進行設置反向電流閾值。同時，由于將輸入電壓VIN信號引入電流感測，所以感測電流包含輸入電壓信息。這允許電流閾值在整個電壓輸入范圍內保持在很小的范圍內。

同時，LM5036具有脈沖匹配機制，可在逐周期操作期間維持主變壓器的磁通平衡。上部和下部主MOSFET的占空比始終匹配，以確保變壓器的電壓伏秒平衡，有效地防止變壓器飽和。 

脈沖匹配方法如下圖所示。在第一階段達到電流限制時，LM5036內部的FLAG信號從低電平變為高電平。在FLAG信號的上升沿對RAMP信號進行采樣，然后在高端MOSFET相的下一半保持其原始采樣值。當高端相位RAMP信號上升到采樣值以上時，高端PWM脈沖被關閉，這最終導致兩相的占空比匹配。 

 

在過流保護中，LM5036和傳統的DC / DC控制均處于關斷電壓控制中，并進入電流控制模式。但是，在電流模式下，由于增加了斜坡補償而引入了輸入電壓。此時，常規控制的上限將隨輸入電壓而變化。但是，在LM5036中，由于電流檢測還可以檢測輸入電壓值，因此可以通過內部控制有效地消除輸入電壓轉換的影響。同時，在過流保護中，如果檢測電流達到閾值，LM5036可以通過脈沖匹配保證上下管導通時間的一致性，從而避免了變壓器飽和的風險。 

LM5306可以在過流保護期間進入打ic模式?？梢酝ㄟ^RES引腳上的外部電容器配置其周期。除了傳統的過電流打nor模式之外，LM5036還支持反向電流打ing模式保護。當重復反向電流時，LM5036也可以進入打ic模式。在重啟電容器上設置一個15μA的電流源。 

預偏置開始：

在沒有完全可控的預偏置啟動的情況下，次級側的SR可能會過早關閉，以吸收來自預充電輸出電容器的電流，將其傳遞至輸入，從而導致電容器電壓下降。如果此過程導致的電壓降太大，則可能導致負載重新啟動，甚至損壞功率轉換器的功率級。從下圖可以看出，在啟動期間沒有預偏置調整的情況下會有電壓降和輸出電壓過沖。 

 

LM5036具有全新的完全調節的預偏置啟動方案，可確保輸出電壓單調上升并避免反向電流。此處的預偏置啟動過程主要包括初級側MOSFET和次級側SR軟啟動。

初級側FET的預偏置軟啟動（如下圖的系統上電時序圖所示）： 

輸入電壓VIN隨著外部施加電壓的上升而上升。一旦VIN> 15V且VCC / REF高于其UV閾值，由Fly-buck產生的次級側輔助電源VAUX2將啟動。在此，除了為次級側的組件提供電源外，VAUX2還作為使能信號參與預偏置啟動過程。 

當UVLO超過1.25V且VCC / REF高于其UV閾值時，連接到SS引腳的軟啟動電容器開始充電。當SS <2V時，VAUX2保持“關閉狀態”。即，VAUX2>閾值電壓TH（根據設計設置），此時，釋放輸出參考電壓VREF的復位電路被激活，從而將VREF值鉗位到地。這樣可確保光耦合器產生0％占空比命令。當UVLO超過1.25V且VCC和REF高于相應的UV閾值時，軟啟動電容器開始充電，并且SS引腳電壓開始上升。 

當SS> = 2V時，VAUX2的電壓值進入“接通狀態”（VAUX2 <TH，VAUX2的“斷開狀態”與“接通狀態”之間的電壓比例關系為1.4：1），輔助電源將產生開啟電壓。。

當VAUX2 <TH時，VREF鉗位至接地并釋放，輸出電壓開始軟啟動過程。占空比由反饋環路控制，不受SS電容器電壓的影響（因為Vcomp <Vss）。 

當VREF> Vo（預偏置電壓）時，Vcomp開始上升。

當Vcomp> 1V（相當于0％占空比）時，初級FET的占空比開始增加（Vo上升）。同時，同步整流SR軟啟動引腳SSSR電容器開始充電。 

 

次級側SR的軟啟動過程： 

在SSSR> = 1V之前，LM5036在SR SYNC模式下工作，如以下圖標編號3所示。此時，SR與主FET完全同步。主要功能有：1）有助于減少SR的傳導損耗；）避免反向電流的危險。

隨著主要FET和SR脈沖寬度的逐漸增加，Vo逐漸上升。脈沖寬度的這種逐步增加有效地防止了由于體二極管和SR Rdson之間的壓降差而引起的輸出電壓干擾。

隨著SSSR電壓的升高，當SSSR> 1V時，LM5036開始SR空轉周期的軟啟動。 

在續流期間，SR1和SR2同時打開。

在SR續流周期結束時，在主時鐘的上升沿，SR與下一個功率傳輸周期的主FET的狀態有關。相同階段將繼續打開，并且相關性將被破壞。（如下圖所示，SR1和HSG處于相導通狀態，SR1在第5個主clk的上升沿保持斷開狀態，而SR2由于反相而保持斷開狀態，而后半部分相反。 ） 

在功率傳輸周期結束時，主FET和同相SR同時關閉。在軟啟動結束時，SR脈沖將與相應的主FET互補。 

由于次級側預偏置軟啟動過程，可以有效地控制次級側基準電壓斜坡，并且僅當基準電平VREF高于輸出電壓時才激活SR。這樣可確保SR在整個啟動過程中不會吸收輸出電容器的能量，并且自然不會發生電容器電壓的泄漏。如下圖所示，在整個軟啟動過程中，輸出電壓保持單調上升，這確保了系統中的數字電路以正確的順序開始工作。

 

請注意，使用LM5036設計DC / DC轉換器時，用戶無需考慮該預偏置啟動過程，因為這是LM5036本身的完全受控功能。 

綜合輔助源： 

對于半橋驅動器，當沒有外部輔助電源時，系統需要單獨的偏置電源和更多的組件。次級側偏置電壓不易調節以控制系統軟啟動過程。因此，這里需要一個單獨的外部電源和更多組件，最終將占用電路板的較大面積。 

LM5036本身集成了具有恒定導通時間控制模式（COT）控制模式的Fly-buck控制器，該模式可用于為LM5036以及初級和次級側設備供電。此外，此處的COT控制模式下的ON時間長度可以通過引腳6的Ron設置。VAUX1和VAUX2的電壓值只能由外部RFB1和RFB2設置。只需連接一個小型輔助電源變壓器，即可實現LV5036的初級側VCC電源，次級側隔離驅動電源，隔離光耦運算放大器和其他電源（各部分的電源如上圖所示）。VAUX2還參與預偏置啟動過程，作為用于傳遞初級側和次級側的使能信號，與放電復位電路配合，實現了預偏置啟動的時序控制?？梢钥闯?，VAUX2在此完成了一次側和二次側通信，從而避免了使用額外的隔離信號電路。間接減少BOM的數量以增加功率密度。另外，對于輔助變壓器的設計，可以通過簡單的工具設計計算表來實現變壓器及相關設備的設計。該應用程序簡單，大大節省了電路板面積和總成本。如下圖所示，只需添加一個小的輔助變壓器（黃色部分）即可輕松實現這些功能，從而大大提高了系統功率密度?？梢钥闯?，VAUX2在此完成了一次側和二次側通信，從而避免了使用額外的隔離信號電路。間接減少BOM的數量以增加功率密度。另外，對于輔助變壓器的設計，可以通過簡單的工具設計計算表來實現變壓器及相關設備的設計。該應用程序簡單，大大節省了電路板面積和總成本。如下圖所示，只需添加一個小的輔助變壓器（黃色部分）即可輕松實現這些功能，從而大大提高了系統功率密度?？梢钥闯?，VAUX2在此完成了一次側和二次側通信，從而避免了使用額外的隔離信號電路。間接減少BOM的數量以增加功率密度。另外，對于輔助變壓器的設計，可以通過簡單的工具設計計算表來實現變壓器及相關設備的設計。該應用程序簡單，大大節省了電路板面積和總成本。如下圖所示，只需添加一個小的輔助變壓器（黃色部分）即可輕松實現這些功能，從而大大提高了系統功率密度?？梢酝ㄟ^簡單的工具設計計算表來實現變壓器和相關設備的設計。該應用程序簡單，大大節省了電路板面積和總成本。如下圖所示，只需添加一個小的輔助變壓器（黃色部分）即可輕松實現這些功能，從而大大提高了系統功率密度?？梢酝ㄟ^簡單的工具設計計算表來實現變壓器和相關設備的設計。該應用程序簡單，大大節省了電路板面積和總成本。如下圖所示，只需添加一個小的輔助變壓器（黃色部分）即可輕松實現這些功能，從而大大提高了系統功率密度。

如上圖所示，SW_AUX是Fly-buck的輸出，L3是Buck電路的輸出側電感，C36是輸出側電容，R22和R23是反饋分壓電阻，R24，C34和C35構成Type -3波紋。注入電路。使用計算工具時，首先輸入輔助電源，頻率，負載電流值和電感值的一些基本信息?？梢杂嬎愠鱿鄳碾娙萜鬟x擇。

對于FB電阻器，可以從Flybuck的前級和后級電壓計算出相應的FB電阻器電子組件，如輔助反饋電路表所示。