基于LM5036的半桥DC / DC電(diàn)源

2020-12-31

LM5036是高度集成的半桥PWM控制器，集成了辅助偏置電(diàn)源，可(kě)為(wèi)電(diàn)信，数据通信和工业電(diàn)源转换器提供高功率密度解决方案。LM5036包括使用(yòng)電(diàn)压模式控制来实现半桥拓扑電(diàn)源转换器所需的所有(yǒu)功能(néng)。该器件适用(yòng)于输入電(diàn)压高达100V的隔离式DC-DC转换器的初级侧。与传统的半桥和全桥控制器相比，LM5036具有(yǒu)其不可(kě)替代的优势： 

（1）集成辅助偏置電(diàn)源，无需外部辅助電(diàn)源即可(kě)為(wèi)LM5036以及初级和次级组件供電(diàn)，从而减小(xiǎo)了電(diàn)路板的尺寸和成本，实现了高功率密度和良好的热可(kě)靠性。 

（2）增强的预偏置启动性能(néng)使负载启动时能(néng)够单调增加输出電(diàn)压并避免吸收電(diàn)流。 

（3）通过脉冲匹配改善逐周期電(diàn)流限制，以在输入電(diàn)压范围内产生均匀的输出電(diàn)流限制水平，并防止变压器饱和。 

脉冲匹配限流保护机制 

恒流限制问题和解决方案： 

在逐周期操作期间，当電(diàn)流感测信号ISENSE达到正阈值IPOS_LIM时，将激活CBC電(diàn)流限制操作。在CBC操作期间，電(diàn)压环断开时，控制器实质上表现出峰值電(diàn)流模式控制。峰值電(diàn)流模式控制的一个常见问题是当半桥拓扑的占空比大于0.25（0.5降压转换器）时发生的次谐波振荡。 

经验法则是增加一个补偿斜坡，该斜坡的斜率必须至少设置為(wèi)输出電(diàn)感器電(diàn)流下坡斜率的一半，该電(diàn)流由電(diàn)流检测電(diàn)阻器转换到初级侧。如果要消除一个开关周期后的次谐波振荡，则必须将斜率补偿设置為(wèi)输出電(diàn)感器電(diàn)流斜率的两倍。这称為(wèi)无差拍控制。 

但是，在增加斜率补偿之后会出现另一个问题。電(diàn)流限制水平随输入電(diàn)压而变化，如下图所示。由于在不同输入電(diàn)压下的斜率补偿幅度不同，在给定内部電(diàn)流限制阈值的情况下，实际電(diàn)流限制水平会随输入電(diàn)压而变化。这种机制使得输出電(diàn)流限制公差差。需要更多(duō)的设计余量，从而导致较差的功率密度。 

LM5036通过匹配主MOSFET的吨数来确保稳定的CBC操作。VIN可(kě)调节峰值電(diàn)流限制阈值，以确保输出電(diàn)流限制随输入電(diàn)压而变化。所有(yǒu)这些功能(néng)都由三个CS引脚和相关的外部電(diàn)阻设置。可(kě)以使用(yòng)LM5036设计计算表来计算这些電(diàn)阻的值。正電(diàn)流和负電(diàn)流（导致输出電(diàn)压下降甚至损坏）都将被检测和限制。 

 

LM5036器件开发了一项新(xīn)技术-输入電(diàn)压补偿。通过在電(diàn)流检测信号和斜率补偿信号上添加一个附加信号作為(wèi)输入電(diàn)压的函数，可(kě)以在整个输入電(diàn)压范围内最小(xiǎo)化電(diàn)流限值，从而获得更精确的输出功率限值，最大避免输出功率随输入電(diàn)压而变化。在LM5036器件中，斜率补偿信号是锯齿電(diàn)流信号ISLOPE，它在振荡器频率（开关频率的两倍）下从0增加到50μA（典型值）。 

补偿電(diàn)流检测信号现在可(kě)以推导為(wèi)： 

 

下图的左侧显示了LM5036逐周期電(diàn)流限制的外部電(diàn)路和LM5036的内部实现。

 

右图显示了電(diàn)流检测信号的组成。可(kě)以看出，LM5036不仅可(kě)以在電(diàn)流检测中检测正向電(diàn)流，而且可(kě)以通过外部RLIM電(diàn)阻器和内部電(diàn)流源VLIM提高電(diàn)流感测的電(diàn)流值，从而留出了一个测量空间来感测反向電(diàn)流并进行设置反向電(diàn)流阈值。同时，由于将输入電(diàn)压VIN信号引入電(diàn)流感测，所以感测電(diàn)流包含输入電(diàn)压信息。这允许電(diàn)流阈值在整个電(diàn)压输入范围内保持在很(hěn)小(xiǎo)的范围内。

同时，LM5036具有(yǒu)脉冲匹配机制，可(kě)在逐周期操作期间维持主变压器的磁通平衡。上部和下部主MOSFET的占空比始终匹配，以确保变压器的電(diàn)压伏秒(miǎo)平衡，有(yǒu)效地防止变压器饱和。 

脉冲匹配方法如下图所示。在第一阶段达到電(diàn)流限制时，LM5036内部的FLAG信号从低電(diàn)平变為(wèi)高電(diàn)平。在FLAG信号的上升沿对RAMP信号进行采样，然后在高端MOSFET相的下一半保持其原始采样值。当高端相位RAMP信号上升到采样值以上时，高端PWM脉冲被关闭，这最终导致两相的占空比匹配。 

 

在过流保护中，LM5036和传统的DC / DC控制均处于关断電(diàn)压控制中，并进入電(diàn)流控制模式。但是，在電(diàn)流模式下，由于增加了斜坡补偿而引入了输入電(diàn)压。此时，常规控制的上限将随输入電(diàn)压而变化。但是，在LM5036中，由于電(diàn)流检测还可(kě)以检测输入電(diàn)压值，因此可(kě)以通过内部控制有(yǒu)效地消除输入電(diàn)压转换的影响。同时，在过流保护中，如果检测電(diàn)流达到阈值，LM5036可(kě)以通过脉冲匹配保证上下管导通时间的一致性，从而避免了变压器饱和的风险。 

LM5306可(kě)以在过流保护期间进入打ic模式。可(kě)以通过RES引脚上的外部電(diàn)容器配置其周期。除了传统的过電(diàn)流打nor模式之外，LM5036还支持反向電(diàn)流打ing模式保护。当重复反向電(diàn)流时，LM5036也可(kě)以进入打ic模式。在重启電(diàn)容器上设置一个15μA的電(diàn)流源。 

预偏置开始：

在没有(yǒu)完全可(kě)控的预偏置启动的情况下，次级侧的SR可(kě)能(néng)会过早关闭，以吸收来自预充電(diàn)输出電(diàn)容器的電(diàn)流，将其传递至输入，从而导致電(diàn)容器電(diàn)压下降。如果此过程导致的電(diàn)压降太大，则可(kě)能(néng)导致负载重新(xīn)启动，甚至损坏功率转换器的功率级。从下图可(kě)以看出，在启动期间没有(yǒu)预偏置调整的情况下会有(yǒu)電(diàn)压降和输出電(diàn)压过冲。 

 

LM5036具有(yǒu)全新(xīn)的完全调节的预偏置启动方案，可(kě)确保输出電(diàn)压单调上升并避免反向電(diàn)流。此处的预偏置启动过程主要包括初级侧MOSFET和次级侧SR软启动。

初级侧FET的预偏置软启动（如下图的系统上電(diàn)时序图所示）： 

输入電(diàn)压VIN随着外部施加電(diàn)压的上升而上升。一旦VIN> 15V且VCC / REF高于其UV阈值，由Fly-buck产生的次级侧辅助電(diàn)源VAUX2将启动。在此，除了為(wèi)次级侧的组件提供電(diàn)源外，VAUX2还作為(wèi)使能(néng)信号参与预偏置启动过程。 

当UVLO超过1.25V且VCC / REF高于其UV阈值时，连接到SS引脚的软启动電(diàn)容器开始充電(diàn)。当SS <2V时，VAUX2保持“关闭状态”。即，VAUX2>阈值電(diàn)压TH（根据设计设置），此时，释放输出参考電(diàn)压VREF的复位電(diàn)路被激活，从而将VREF值钳位到地。这样可(kě)确保光耦合器产生0％占空比命令。当UVLO超过1.25V且VCC和REF高于相应的UV阈值时，软启动電(diàn)容器开始充電(diàn)，并且SS引脚電(diàn)压开始上升。 

当SS> = 2V时，VAUX2的電(diàn)压值进入“接通状态”（VAUX2 <TH，VAUX2的“断开状态”与“接通状态”之间的電(diàn)压比例关系為(wèi)1.4：1），辅助電(diàn)源将产生开启電(diàn)压。。

当VAUX2 <TH时，VREF钳位至接地并释放，输出電(diàn)压开始软启动过程。占空比由反馈环路控制，不受SS電(diàn)容器電(diàn)压的影响（因為(wèi)Vcomp <Vss）。 

当VREF> Vo（预偏置電(diàn)压）时，Vcomp开始上升。

当Vcomp> 1V（相当于0％占空比）时，初级FET的占空比开始增加（Vo上升）。同时，同步整流SR软启动引脚SSSR電(diàn)容器开始充電(diàn)。 

 

次级侧SR的软启动过程： 

在SSSR> = 1V之前，LM5036在SR SYNC模式下工作，如以下图标编号3所示。此时，SR与主FET完全同步。主要功能(néng)有(yǒu)：1）有(yǒu)助于减少SR的传导损耗；）避免反向電(diàn)流的危险。

随着主要FET和SR脉冲宽度的逐渐增加，Vo逐渐上升。脉冲宽度的这种逐步增加有(yǒu)效地防止了由于體(tǐ)二极管和SR Rdson之间的压降差而引起的输出電(diàn)压干扰。

随着SSSR電(diàn)压的升高，当SSSR> 1V时，LM5036开始SR空转周期的软启动。 

在续流期间，SR1和SR2同时打开。

在SR续流周期结束时，在主时钟的上升沿，SR与下一个功率传输周期的主FET的状态有(yǒu)关。相同阶段将继续打开，并且相关性将被破坏。（如下图所示，SR1和HSG处于相导通状态，SR1在第5个主clk的上升沿保持断开状态，而SR2由于反相而保持断开状态，而后半部分(fēn)相反。 ） 

在功率传输周期结束时，主FET和同相SR同时关闭。在软启动结束时，SR脉冲将与相应的主FET互补。 

由于次级侧预偏置软启动过程，可(kě)以有(yǒu)效地控制次级侧基准電(diàn)压斜坡，并且仅当基准電(diàn)平VREF高于输出電(diàn)压时才激活SR。这样可(kě)确保SR在整个启动过程中不会吸收输出電(diàn)容器的能(néng)量，并且自然不会发生電(diàn)容器電(diàn)压的泄漏。如下图所示，在整个软启动过程中，输出電(diàn)压保持单调上升，这确保了系统中的数字電(diàn)路以正确的顺序开始工作。

 

请注意，使用(yòng)LM5036设计DC / DC转换器时，用(yòng)户无需考虑该预偏置启动过程，因為(wèi)这是LM5036本身的完全受控功能(néng)。 

综合辅助源： 

对于半桥驱动器，当没有(yǒu)外部辅助電(diàn)源时，系统需要单独的偏置電(diàn)源和更多(duō)的组件。次级侧偏置電(diàn)压不易调节以控制系统软启动过程。因此，这里需要一个单独的外部電(diàn)源和更多(duō)组件，最终将占用(yòng)電(diàn)路板的较大面积。 

LM5036本身集成了具有(yǒu)恒定导通时间控制模式（COT）控制模式的Fly-buck控制器，该模式可(kě)用(yòng)于為(wèi)LM5036以及初级和次级侧设备供電(diàn)。此外，此处的COT控制模式下的ON时间長(cháng)度可(kě)以通过引脚6的Ron设置。VAUX1和VAUX2的電(diàn)压值只能(néng)由外部RFB1和RFB2设置。只需连接一个小(xiǎo)型辅助電(diàn)源变压器，即可(kě)实现LV5036的初级侧VCC電(diàn)源，次级侧隔离驱动電(diàn)源，隔离光耦运算放大器和其他(tā)電(diàn)源（各部分(fēn)的電(diàn)源如上图所示）。VAUX2还参与预偏置启动过程，作為(wèi)用(yòng)于传递初级侧和次级侧的使能(néng)信号，与放電(diàn)复位電(diàn)路配合，实现了预偏置启动的时序控制。可(kě)以看出，VAUX2在此完成了一次侧和二次侧通信，从而避免了使用(yòng)额外的隔离信号電(diàn)路。间接减少BOM的数量以增加功率密度。另外，对于辅助变压器的设计，可(kě)以通过简单的工具设计计算表来实现变压器及相关设备的设计。该应用(yòng)程序简单，大大节省了電(diàn)路板面积和总成本。如下图所示，只需添加一个小(xiǎo)的辅助变压器（黄色部分(fēn)）即可(kě)轻松实现这些功能(néng)，从而大大提高了系统功率密度。可(kě)以看出，VAUX2在此完成了一次侧和二次侧通信，从而避免了使用(yòng)额外的隔离信号電(diàn)路。间接减少BOM的数量以增加功率密度。另外，对于辅助变压器的设计，可(kě)以通过简单的工具设计计算表来实现变压器及相关设备的设计。该应用(yòng)程序简单，大大节省了電(diàn)路板面积和总成本。如下图所示，只需添加一个小(xiǎo)的辅助变压器（黄色部分(fēn)）即可(kě)轻松实现这些功能(néng)，从而大大提高了系统功率密度。可(kě)以看出，VAUX2在此完成了一次侧和二次侧通信，从而避免了使用(yòng)额外的隔离信号電(diàn)路。间接减少BOM的数量以增加功率密度。另外，对于辅助变压器的设计，可(kě)以通过简单的工具设计计算表来实现变压器及相关设备的设计。该应用(yòng)程序简单，大大节省了電(diàn)路板面积和总成本。如下图所示，只需添加一个小(xiǎo)的辅助变压器（黄色部分(fēn)）即可(kě)轻松实现这些功能(néng)，从而大大提高了系统功率密度。可(kě)以通过简单的工具设计计算表来实现变压器和相关设备的设计。该应用(yòng)程序简单，大大节省了電(diàn)路板面积和总成本。如下图所示，只需添加一个小(xiǎo)的辅助变压器（黄色部分(fēn)）即可(kě)轻松实现这些功能(néng)，从而大大提高了系统功率密度。可(kě)以通过简单的工具设计计算表来实现变压器和相关设备的设计。该应用(yòng)程序简单，大大节省了電(diàn)路板面积和总成本。如下图所示，只需添加一个小(xiǎo)的辅助变压器（黄色部分(fēn)）即可(kě)轻松实现这些功能(néng)，从而大大提高了系统功率密度。

如上图所示，SW_AUX是Fly-buck的输出，L3是Buck電(diàn)路的输出侧電(diàn)感，C36是输出侧電(diàn)容，R22和R23是反馈分(fēn)压電(diàn)阻，R24，C34和C35构成Type -3波纹。注入電(diàn)路。使用(yòng)计算工具时，首先输入辅助電(diàn)源，频率，负载電(diàn)流值和電(diàn)感值的一些基本信息。可(kě)以计算出相应的電(diàn)容器选择。

对于FB電(diàn)阻器，可(kě)以从Flybuck的前级和后级電(diàn)压计算出相应的FB電(diàn)阻器電(diàn)子组件，如辅助反馈電(diàn)路表所示。

 

关于RCC纹波注入電(diàn)路的参数选择，计算表中有(yǒu)三种不同的電(diàn)路选择。选择TYPE-3后，可(kě)以输入目标纹波電(diàn)压值和纹波電(diàn)流值以计算相应的RCC電(diàn)阻值。。在此，Cac和Rr的值通常是固定的，并且可(kě)以根据计算出的值选择Cr。

上图显示了基于LM5036的参考评估板的布局规则。上部是输入滤波電(diàn)路，半桥電(diàn)路，输出侧同步整流和输出滤波電(diàn)路。下部是LM5036周围的关键组件，辅助電(diàn)源電(diàn)路和反馈环路调节電(diàn)路。辅助電(diàn)源占用(yòng)的空间非常小(xiǎo)，可(kě)以达到事半功倍的效果。业界常见的200W砖块電(diàn)源通常使用(yòng)1/8砖块布局。由于LM5036的高度集成，现在可(kě)以在1/16砖模块上使用(yòng)200W電(diàn)源，并且可(kě)以在较小(xiǎo)的PCB布局面积上实现相同的電(diàn)源。