基于LM5036的半桥DC / DC电源

2020-12-31

LM5036是高度集成的半桥PWM控制器，集成了辅助偏置电源，可为电信，数据通信和工业电源转换器提供高功率密度解决方案。LM5036包括使用电压模式控制来实现半桥拓扑电源转换器所需的所有功能。该器件适用于输入电压高达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具有其不可替代的优势： 

（1）集成辅助偏置电源，无需外部辅助电源即可为LM5036以及初级和次级组件供电，从而减小了电路板的尺寸和成本，实现了高功率密度和良好的热可靠性。 

（2）增强的预偏置启动性能使负载启动时能够单调增加输出电压并避免吸收电流。 

（3）通过脉冲匹配改善逐周期电流限制，以在输入电压范围内产生均匀的输出电流限制水平，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，当电流感测信号ISENSE达到正阈值IPOS_LIM时，将激活CBC电流限制操作。在CBC操作期间，电压环断开时，控制器实质上表现出峰值电流模式控制。峰值电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为输出电感器电流下坡斜率的一半，该电流由电流检测电阻器转换到初级侧。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为输出电感器电流斜率的两倍。这称为无差拍控制。 

但是，在增加斜率补偿之后会出现另一个问题。电流限制水平随输入电压而变化，如下图所示。由于在不同输入电压下的斜率补偿幅度不同，在给定内部电流限制阈值的情况下，实际电流限制水平会随输入电压而变化。这种机制使得输出电流限制公差差。需要更多的设计余量，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可调节峰值电流限制阈值，以确保输出电流限制随输入电压而变化。所有这些功能都由三个CS引脚和相关的外部电阻设置。可以使用LM5036设计计算表来计算这些电阻的值。正电流和负电流（导致输出电压下降甚至损坏）都将被检测和限制。 

 

LM5036器件开发了一项新技术-输入电压补偿。通过在电流检测信号和斜率补偿信号上添加一个附加信号作为输入电压的函数，可以在整个输入电压范围内最小化电流限值，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电压而变化。在LM5036器件中，斜率补偿信号是锯齿电流信号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）。 

补偿电流检测信号现在可以推导为： 

 

下图的左侧显示了LM5036逐周期电流限制的外部电路和LM5036的内部实现。

 

右图显示了电流检测信号的组成。可以看出，LM5036不仅可以在电流检测中检测正向电流，而且可以通过外部RLIM电阻器和内部电流源VLIM提高电流感测的电流值，从而留出了一个测量空间来感测反向电流并进行设置反向电流阈值。同时，由于将输入电压VIN信号引入电流感测，所以感测电流包含输入电压信息。这允许电流阈值在整个电压输入范围内保持在很小的范围内。

同时，LM5036具有脉冲匹配机制，可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，以确保变压器的电压伏秒平衡，有效地防止变压器饱和。 

脉冲匹配方法如下图所示。在第一阶段达到电流限制时，LM5036内部的FLAG信号从低电平变为高电平。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控制均处于关断电压控制中，并进入电流控制模式。但是，在电流模式下，由于增加了斜坡补偿而引入了输入电压。此时，常规控制的上限将随输入电压而变化。但是，在LM5036中，由于电流检测还可以检测输入电压值，因此可以通过内部控制有效地消除输入电压转换的影响。同时，在过流保护中，如果检测电流达到阈值，LM5036可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可以在过流保护期间进入打ic模式。可以通过RES引脚上的外部电容器配置其周期。除了传统的过电流打nor模式之外，LM5036还支持反向电流打ing模式保护。当重复反向电流时，LM5036也可以进入打ic模式。在重启电容器上设置一个15μA的电流源。 

预偏置开始：

在没有完全可控的预偏置启动的情况下，次级侧的SR可能会过早关闭，以吸收来自预充电输出电容器的电流，将其传递至输入，从而导致电容器电压下降。如果此过程导致的电压降太大，则可能导致负载重新启动，甚至损坏功率转换器的功率级。从下图可以看出，在启动期间没有预偏置调整的情况下会有电压降和输出电压过冲。 

 

LM5036具有全新的完全调节的预偏置启动方案，可确保输出电压单调上升并避免反向电流。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（如下图的系统上电时序图所示）： 

输入电压VIN随着外部施加电压的上升而上升。一旦VIN> 15V且VCC / REF高于其UV阈值，由Fly-buck产生的次级侧辅助电源VAUX2将启动。在此，除了为次级侧的组件提供电源外，VAUX2还作为使能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引脚的软启动电容器开始充电。当SS <2V时，VAUX2保持“关闭状态”。即，VAUX2>阈值电压TH（根据设计设置），此时，释放输出参考电压VREF的复位电路被激活，从而将VREF值钳位到地。这样可确保光耦合器产生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，软启动电容器开始充电，并且SS引脚电压开始上升。 

当SS> = 2V时，VAUX2的电压值进入“接通状态”（VAUX2 <TH，VAUX2的“断开状态”与“接通状态”之间的电压比例关系为1.4：1），辅助电源将产生开启电压。。

当VAUX2 <TH时，VREF钳位至接地并释放，输出电压开始软启动过程。占空比由反馈环路控制，不受SS电容器电压的影响（因为Vcomp <Vss）。 

当VREF> Vo（预偏置电压）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电容器开始充电。 

 

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。主要功能有：1）有助于减少SR的传导损耗；）避免反向电流的危险。

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效地防止了由于体二极管和SR Rdson之间的压降差而引起的输出电压干扰。

随着SSSR电压的升高，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，可以有效地控制次级侧基准电压斜坡，并且仅当基准电平VREF高于输出电压时才激活SR。这样可确保SR在整个启动过程中不会吸收输出电容器的能量，并且自然不会发生电容器电压的泄漏。如下图所示，在整个软启动过程中，输出电压保持单调上升，这确保了系统中的数字电路以正确的顺序开始工作。

 

请注意，使用LM5036设计DC / DC转换器时，用户无需考虑该预偏置启动过程，因为这是LM5036本身的完全受控功能。 

综合辅助源： 

对于半桥驱动器，当没有外部辅助电源时，系统需要单独的偏置电源和更多的组件。次级侧偏置电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电源和更多组件，最终将占用电路板的较大面积。 

LM5036本身集成了具有恒定导通时间控制模式（COT）控制模式的Fly-buck控制器，该模式可用于为LM5036以及初级和次级侧设备供电。此外，此处的COT控制模式下的ON时间长度可以通过引脚6的Ron设置。VAUX1和VAUX2的电压值只能由外部RFB1和RFB2设置。只需连接一个小型辅助电源变压器，即可实现LV5036的初级侧VCC电源，次级侧隔离驱动电源，隔离光耦运算放大器和其他电源（各部分的电源如上图所示）。VAUX2还参与预偏置启动过程，作为用于传递初级侧和次级侧的使能信号，与放电复位电路配合，实现了预偏置启动的时序控制。可以看出，VAUX2在此完成了一次侧和二次侧通信，从而避免了使用额外的隔离信号电路。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。该应用程序简单，大大节省了电路板面积和总成本。如下图所示，只需添加一个小的辅助变压器（黄色部分）即可轻松实现这些功能，从而大大提高了系统功率密度。可以看出，VAUX2在此完成了一次侧和二次侧通信，从而避免了使用额外的隔离信号电路。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。该应用程序简单，大大节省了电路板面积和总成本。如下图所示，只需添加一个小的辅助变压器（黄色部分）即可轻松实现这些功能，从而大大提高了系统功率密度。可以看出，VAUX2在此完成了一次侧和二次侧通信，从而避免了使用额外的隔离信号电路。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。该应用程序简单，大大节省了电路板面积和总成本。如下图所示，只需添加一个小的辅助变压器（黄色部分）即可轻松实现这些功能，从而大大提高了系统功率密度。可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。该应用程序简单，大大节省了电路板面积和总成本。如下图所示，只需添加一个小的辅助变压器（黄色部分）即可轻松实现这些功能，从而大大提高了系统功率密度。可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。该应用程序简单，大大节省了电路板面积和总成本。如下图所示，只需添加一个小的辅助变压器（黄色部分）即可轻松实现这些功能，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电路的输出侧电感，C36是输出侧电容，R22和R23是反馈分压电阻，R24，C34和C35构成Type -3波纹。注入电路。使用计算工具时，首先输入辅助电源，频率，负载电流值和电感值的一些基本信息。可以计算出相应的电容器选择。

对于FB电阻器，可以从Flybuck的前级和后级电压计算出相应的FB电阻器电子组件，如辅助反馈电路表所示。

 

关于RCC纹波注入电路的参数选择，计算表中有三种不同的电路选择。选择TYPE-3后，可以输入目标纹波电压值和纹波电流值以计算相应的RCC电阻值。。在此，Cac和Rr的值通常是固定的，并且可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。上部是输入滤波电路，半桥电路，输出侧同步整流和输出滤波电路。下部是LM5036周围的关键组件，辅助电源电路和反馈环路调节电路。辅助电源占用的空间非常小，可以达到事半功倍的效果。业界常见的200W砖块电源通常使用1/8砖块布局。由于LM5036的高度集成，现在可以在1/16砖模块上使用200W电源，并且可以在较小的PCB布局面积上实现相同的电源。