半桥PWM控制器的优势
mouser 2021-09-28

LM5036是一款高度集成化的半桥PWM控制器,集成了辅助偏置电源,为电信、数据通信、工业电源转换器提供高功率密度解决方案。LM5036包含使用电压模式控制实现半桥拓扑功率转换器所需的所有功能。该器件适用于隔离式DC-DC转换器的初级侧,输入电压高达100V。与传统半桥及全桥控制器相比,LM5036有着自身不可替代的优势:

(1)、集成辅助偏置电源,为LM5036及初级侧和次级侧元器件供电,无需外部辅助电源,减少电路板尺寸和成本,有助于实现高功率密度和良好的热可靠性。

(2)、增强的预偏置启动性能可实现负载带压启动时,输出电压的单调递增并避免倒灌电流。

(3)、通过脉冲匹配改善了逐周期电流限制,从而在输入电压范围内产生均匀的输出电流限制水平,并且还可以防止变压器饱和。

电流保护篇

脉冲匹配的电流限制保护机制:

恒流限制问题和解决方案:

在逐周期运行期间,当电流感测信号ISENSE达到正阈值IPOS_LIM时,激活CBC电流限制操作。控制器基本上表现为峰值电流模式控制,在CBC操作期间电压回路打开。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(降压转换器为0.5)时出现的次谐波振荡。

经验法则是增加补偿斜坡,其斜率必须设置为通过电流检测电阻器转换到初级侧的输出电感器电流的下坡的至少一半。如果希望在一个开关周期后消除次谐波振荡,则必须将斜率补偿设置为输出电感电流下行斜率的一倍。这被称为无差拍控制。

但是,在添加斜率补偿后会出现另一个问题。电流限制电平随输入电压而变化,如下图所示。由于不同输入电压下的斜率补偿幅度不同,实际电流限制电平随给定内部电流限制阈值的输入电压而变化。这样的机制使得输出电流限制容差较差。需要更多的设计余量,导致功率密度较差。

“非恒定电流限制”非恒定电流限制

LM5036通过匹配初级MOSFET的ton次数来确保稳定的CBC操作。通过VIN调节峰值电流限制阈值,以确保减小输出电流限制随输入电压的变化。所有这些功能都由三个CS引脚和相关的外部电阻设置。使用LM5036设计计算表格可以计算这些电阻的值。正电流和负电流(导致输出电压下降甚至损坏)都将被感测和限制。

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LM5036器件开发了一种新技术-输入电压补偿。通过在电流感测信号和斜率补偿信号之上添加作为输入电压的函数的额外信号,可以在整个输入电压范围内最小化电流限制值的变化,从而可以得到更加精准的输出功率限制,最大化地避免输出功率的阈值随着输入电压的变化而变化。在LM5036器件中,斜率补偿信号是锯齿电流信号ISLOPE,在振荡器频率(开关频率的两倍)上从0增加到50μA(典型值)。

补偿后的电流检测信号现在可以推导为:

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下图左为LM5036逐周期电流限制的外接电路、LM5036内部实现示意电路。

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右图为电流感测信号的组成说明。可见LM5036在电流检测上不仅检测正向电流,还通过外接RLIM电阻及内部电流源VLIM提升电流感测的电流值,从而留出测量空间以便感测反向电流和设置反向电流阈值。同时由于引入输入电压VIN信号到电流感测上,使得感测电流包含输入电压信息。从而实现在整个电压输入范围内,电流阈值保持在一个很小的范围内。

与此同时,LM5036拥有脉冲匹配机制,在Cycle-By-Cycle运行期间保持主变压器的磁通平衡。上下两个主MOSFET的占空比始终保持匹配状态,以确保变压器伏秒积平衡,有效防止变压器饱和。

脉冲匹配方式如下图所示。当在第1阶段达到电流限制时,LM5036内部的FLAG信号由低变高。RAMP信号在FLAG信号的上升沿被采样,然后在高边MOSFET相位的下一半开关周期内将保持原本采样值并正常运行。当高侧相位RAMP信号上升到采样值以上时,高侧PWM脉冲关闭,这样最终会使得两个相位的占空比匹配。

“脉冲匹配机制”脉冲匹配机制

在过流保护中LM5036和传统DC/DC控制相同都是处于脱离电压控制而进入电流控制模式。但是电流模式中由于加入斜波补偿,从而引入了输入电压。此时传统的控制的电流上限会随输入电压的变化而不同。但在LM5036中,由于电流检测也检测输入电压值,通过内部控制,可以有效消除输入电压变换带来的影响。同时,在过流保护中,如果检测电流达到了阈值,LM5036通过脉冲匹配可以保证上下管的开通时间的一致性,从而避免变压器饱和的风险。

LM5306在过流保护时可以进入打嗝模式。其周期可由RES引脚上的外接电容进行配置。除了传统的过流打嗝模式,LM5036还支持倒灌电流打嗝模式保护。当倒灌电流反复出现时,LM5036也可进入打嗝模式。打嗝重启电容器处设置15μA电流源。

预偏置启动篇

预偏置启动:

在没有完全可控的预偏置启动情况下,次级侧的SR可能过早地闭合导通以从预充电的输出电容器吸收电流,传递到输入端,这样导致电容电压出现下降的情况。如果此过程导致的电压降低过大,可能会导致重新启动负载甚至损坏电源转换器功率级部分。从下图中就可以看出,在没有预偏置调节的启动过程中输出电压出现电压跌落以及过冲的情况。

“没有完全调节的预偏置启动”没有完全调节的预偏置启动

而LM5036采用全新的完全稳压预偏置启动方案,以确保输出电压的单调上升及避免反向电流。这里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(如下图中的系统上电顺序图所示):

1、输入电压VIN会伴随外部所加载电压的上升而上升,一旦VIN>15V且VCC/REF高于其UV阈值,Fly-buck产生的次级侧辅助电源VAUX2就会启动。这里VAUX2除了提供次级侧的元器件供电以外,同时作为一个使能信号参与到预偏置启动过程中。

2、当UVLO超过1.25V且VCC/REF高于其UV阈值时,SS引脚上连接的软启动电容开始充电。当SS <2V时,VAUX2保持在“关闭状态”。即VAUX2>阈值电压TH(根据设计设置),此时会激活使输出电压参考VREF放电的复位电路,从而钳制VREF值到地。这就确保了光耦合器产生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,软启动电容开始充电,SS引脚电压开始上升。

3、当SS>=2V时,VAUX2电压值进入“开通状态”(VAUX2<TH,VAUX2的“关闭状态”和“开通状态”的电压比例关系为1.4:1),辅助电源将产生导通电压。

4、当VAUX2<TH时,VREF从被钳制到地到被释放,输出电压开始进行软启动过程。占空比由反馈环路控制,而不受SS电容器电压影响(因为Vcomp<Vss)。

5、当VREF>Vo(预偏置电压)时,Vcomp开始上升。

6、当Vcomp>1V(对应0%占空比)时,初级FET的占空比开始增加(Vo上升)。与此同时,同步整流SR软启动引脚SSSR电容开始充电。

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次级侧SR的软启动过程:

1、在SSSR>=1V之前,LM5036工作在SR SYNC模式,如下图标号3的位置,此时SR与主FET保持完全同步,这样主要作用是:1)有助于降低SR的传导损耗;2)避免出现反向电流的风险。

2、随着初级FET和SR脉冲宽度逐渐增加,此时Vo逐渐上升,这种逐步增加脉宽的方式有效防止由于体二极管和SR Rdson之间的电压降的差异引起的输出电压干扰。

3、随着SSSR电压的上升,当SSSR>1V时,LM5036开始SR续流周期的软启动。

4、SR1和SR2在续流期间同时接通。

5、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主FET状态相关。同相继续保持开通,异相关断。(如下图所示,SR1与HSG属于同相开通,在5号主clk上升沿处SR1保持开通状态,SR2由于是异相因此保持关断状态,后半周期正好相反。)

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

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由于有次级侧预偏置软启动的过程,可以有效控制次级侧参考电压斜坡上升,仅在参考电平VREF高于输出电压时激活SR。这样就保证了在整个启动过程不会出现SR吸收输出电容能量的现象,自然也不会出现电容电压跌落的情况。如下图所示,在整个软启过程中,输出电压保持单调平稳上升,可有效确保系统内数字电路以正确的顺序开始工作。

“基于LM5036的设计”基于LM5036的设计

请注意,在设计带LM5036的DC/DC转换器时,用户无需考虑这种预偏置启动过程,因为这是LM5036本身完全控制的功能。

辅助电源篇

集成辅助源:

对于半桥驱动器而言在没有外接辅助电源时,系统需要一个单独的偏置电源和更多组件。 不能轻易调节次级侧偏置电压来控制系统软启动过程。因此这里就需要单独的外接电源以及更多的组件,最终就会大大占用板级面积。

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而LM5036自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,可以用来给LM5036及初级侧和次级侧器件供电。而且这里的COT控制模式中的ON time的时间长度是可以通过Pin-6的Ron来进行设置的。只需要外接RFB1 和 RFB2就可以设置VAUX1 ,VAUX2的电压值。只需要外接一个小小的辅助源变压器,就可以实现LM5036初级侧VCC供电,次级侧隔离驱动供电,隔离光耦运放等的供电(如上图所示各部分的供电电源)。VAUX2同时参与了预偏置启动过程,作为一个沟通初级侧和次级侧的使能信号,通过和放电复位电路的配合实现预偏置启动的时序控制。可以看到VAUX2在这里完成了初级侧和次级侧的通信,而避免使用额外的隔离信号电路。间接减少BOM数量从而增加功率密度。此外,对于辅助变压器的设计,完全可以通过一个简单的工具设计计算表格去实现变压器及相关器件的设计。应用简单,大大节省板级面积以及综合成本。如下图所示,只需要外加一个小小的辅助变压器(黄色部分)就可以轻松实现这些功能,大大提高系统功率密度。

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如上图所示,SW_AUX为Fly-buck的输出端,L3为buck电路的输出侧电感,C36为输出侧电容,R22与R23为反馈分压电阻,R24,C34与C35构成Type-3的纹波注入电路。在使用计算工具时,首先输入一些辅助电源的基本信息,频率,负载电流值,电感取值。即可计算出相应的电容选型。

对于FB电阻,可以根据Flybuck的前级及后级的电压来计算出相应的FB电阻,如Auxiliary Feedback Circuit表格所示。

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至于RCC纹波注入电路的参数选择,计算表格中有三种不同的电路选择,选择TYPE-3之后,可以输入目标的纹波电压值以及纹波电流值,即可计算出相应的RCC阻容值。这里一般固定Cac与Rr的值,至于Cr可以根据计算值进行相应的选型。

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上图所示是基于LM5036的参考评估板的布局规则,上半部分是输入滤波电路,半桥电路,输出侧同步整流以及输出滤波电路。下半部分为LM5036周边关键器件,辅助电源电路以及反馈回路调节电路,辅助电源利用极小的占板面积却达到一举多得的作用。业界中常见的200W砖块电源通常使用1/8砖的版图。由于LM5036的高集成度,200W功率电源现在已经可以在1/16砖模块上即可实现,同样的功率可以做到更小的版图面积上。 

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