基于LM5036的半橋DC/DC電源——電流保護(hù)篇

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LM5036是一款高度集成化的半橋PWM控制器，集成了輔助偏置電源，為電信、數(shù)據(jù)通信、工業(yè)電源轉(zhuǎn)換器提供高功率密度解決方案。LM5036包含使用電壓模式控制實(shí)現(xiàn)半橋拓?fù)涔β兽D(zhuǎn)換器所需的所有功能。該器件適用于隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器的初級(jí)側(cè)，輸入電壓高達(dá)100V。與傳統(tǒng)半橋及全橋控制器相比，LM5036有著自身不可替代的優(yōu)勢(shì)：

(1)、集成輔助偏置電源，為L(zhǎng)M5036及初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)元器件供電，無(wú)需外部輔助電源，減少電路板尺寸和成本，有助于實(shí)現(xiàn)高功率密度和良好的熱可靠性。

(2)、增強(qiáng)的預(yù)偏置啟動(dòng)性能可實(shí)現(xiàn)負(fù)載帶壓?jiǎn)?dòng)時(shí)，輸出電壓的單調(diào)遞增并避免倒灌電流。

(3)、通過(guò)脈沖匹配改善了逐周期電流限制，從而在輸入電壓范圍內(nèi)產(chǎn)生均勻的輸出電流限制水平，并且還可以防止變壓器飽和。

電流保護(hù)篇

脈沖匹配的電流限制保護(hù)機(jī)制：

恒流限制問(wèn)題和解決方案：

在逐周期運(yùn)行期間，當(dāng)電流感測(cè)信號(hào)ISENSE達(dá)到正閾值IPOS_LIM時(shí)，激活CBC電流限制操作。控制器基本上表現(xiàn)為峰值電流模式控制，在CBC操作期間電壓回路打開(kāi)。峰值電流模式控制的一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題是當(dāng)半橋拓?fù)涞恼伎毡却笥?.25（降壓轉(zhuǎn)換器為0.5）時(shí)出現(xiàn)的次諧波振蕩。

經(jīng)驗(yàn)法則是增加補(bǔ)償斜坡，其斜率必須設(shè)置為通過(guò)電流檢測(cè)電阻器轉(zhuǎn)換到初級(jí)側(cè)的輸出電感器電流的下坡的至少一半。如果希望在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期后消除次諧波振蕩，則必須將斜率補(bǔ)償設(shè)置為輸出電感電流下行斜率的一倍。這被稱為無(wú)差拍控制。

但是，在添加斜率補(bǔ)償后會(huì)出現(xiàn)另一個(gè)問(wèn)題。電流限制電平隨輸入電壓而變化，如下圖所示。由于不同輸入電壓下的斜率補(bǔ)償幅度不同，實(shí)際電流限制電平隨給定內(nèi)部電流限制閾值的輸入電壓而變化。這樣的機(jī)制使得輸出電流限制容差較差。需要更多的設(shè)計(jì)余量，導(dǎo)致功率密度較差。

非恒定電流限制

LM5036通過(guò)匹配初級(jí)MOSFET的ton次數(shù)來(lái)確保穩(wěn)定的CBC操作。通過(guò)VIN調(diào)節(jié)峰值電流限制閾值，以確保減小輸出電流限制隨輸入電壓的變化。所有這些功能都由三個(gè)CS引腳和相關(guān)的外部電阻設(shè)置。使用LM5036設(shè)計(jì)計(jì)算表格可以計(jì)算這些電阻的值。正電流和負(fù)電流（導(dǎo)致輸出電壓下降甚至損壞）都將被感測(cè)和限制。

LM5036器件開(kāi)發(fā)了一種新技術(shù)-輸入電壓補(bǔ)償。通過(guò)在電流感測(cè)信號(hào)和斜率補(bǔ)償信號(hào)之上添加作為輸入電壓的函數(shù)的額外信號(hào)，可以在整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)最小化電流限制值的變化，從而可以得到更加精準(zhǔn)的輸出功率限制，最大化地避免輸出功率的閾值隨著輸入電壓的變化而變化。在LM5036器件中，斜率補(bǔ)償信號(hào)是鋸齒電流信號(hào)ISLOPE，在振蕩器頻率（開(kāi)關(guān)頻率的兩倍）上從0增加到50μA（典型值）。

補(bǔ)償后的電流檢測(cè)信號(hào)現(xiàn)在可以推導(dǎo)為：

下圖左為L(zhǎng)M5036逐周期電流限制的外接電路、LM5036內(nèi)部實(shí)現(xiàn)示意電路。

右圖為電流感測(cè)信號(hào)的組成說(shuō)明。可見(jiàn)LM5036在電流檢測(cè)上不僅檢測(cè)正向電流，還通過(guò)外接RLIM電阻及內(nèi)部電流源VLIM提升電流感測(cè)的電流值，從而留出測(cè)量空間以便感測(cè)反向電流和設(shè)置反向電流閾值。同時(shí)由于引入輸入電壓VIN信號(hào)到電流感測(cè)上，使得感測(cè)電流包含輸入電壓信息。從而實(shí)現(xiàn)在整個(gè)電壓輸入范圍內(nèi)，電流閾值保持在一個(gè)很小的范圍內(nèi)。

與此同時(shí)，LM5036擁有脈沖匹配機(jī)制，在Cycle-By-Cycle運(yùn)行期間保持主變壓器的磁通平衡。上下兩個(gè)主MOSFET的占空比始終保持匹配狀態(tài)，以確保變壓器伏秒積平衡，有效防止變壓器飽和。

脈沖匹配方式如下圖所示。當(dāng)在第1階段達(dá)到電流限制時(shí)，LM5036內(nèi)部的FLAG信號(hào)由低變高。RAMP信號(hào)在FLAG信號(hào)的上升沿被采樣，然后在高邊MOSFET相位的下一半開(kāi)關(guān)周期內(nèi)將保持原本采樣值并正常運(yùn)行。當(dāng)高側(cè)相位RAMP信號(hào)上升到采樣值以上時(shí)，高側(cè)PWM脈沖關(guān)閉，這樣最終會(huì)使得兩個(gè)相位的占空比匹配。

脈沖匹配機(jī)制

在過(guò)流保護(hù)中LM5036和傳統(tǒng)DC/DC控制相同都是處于脫離電壓控制而進(jìn)入電流控制模式。但是電流模式中由于加入斜波補(bǔ)償，從而引入了輸入電壓。此時(shí)傳統(tǒng)的控制的電流上限會(huì)隨輸入電壓的變化而不同。但在LM5036中，由于電流檢測(cè)也檢測(cè)輸入電壓值，通過(guò)內(nèi)部控制，可以有效消除輸入電壓變換帶來(lái)的影響。同時(shí)，在過(guò)流保護(hù)中，如果檢測(cè)電流達(dá)到了閾值，LM5036通過(guò)脈沖匹配可以保證上下管的開(kāi)通時(shí)間的一致性，從而避免變壓器飽和的風(fēng)險(xiǎn)。

LM5306在過(guò)流保護(hù)時(shí)可以進(jìn)入打嗝模式。其周期可由RES引腳上的外接電容進(jìn)行配置。除了傳統(tǒng)的過(guò)流打嗝模式，LM5036還支持倒灌電流打嗝模式保護(hù)。當(dāng)?shù)构嚯娏鞣磸?fù)出現(xiàn)時(shí)，LM5036也可進(jìn)入打嗝模式。打嗝重啟電容器處設(shè)置15μA電流源。

預(yù)偏置啟動(dòng)篇

預(yù)偏置啟動(dòng):

在沒(méi)有完全可控的預(yù)偏置啟動(dòng)情況下，次級(jí)側(cè)的SR可能過(guò)早地閉合導(dǎo)通以從預(yù)充電的輸出電容器吸收電流，傳遞到輸入端，這樣導(dǎo)致電容電壓出現(xiàn)下降的情況。如果此過(guò)程導(dǎo)致的電壓降低過(guò)大，可能會(huì)導(dǎo)致重新啟動(dòng)負(fù)載甚至損壞電源轉(zhuǎn)換器功率級(jí)部分。從下圖中就可以看出，在沒(méi)有預(yù)偏置調(diào)節(jié)的啟動(dòng)過(guò)程中輸出電壓出現(xiàn)電壓跌落以及過(guò)沖的情況。

沒(méi)有完全調(diào)節(jié)的預(yù)偏置啟動(dòng)

而LM5036采用全新的完全穩(wěn)壓預(yù)偏置啟動(dòng)方案，以確保輸出電壓的單調(diào)上升及避免反向電流。這里的預(yù)偏置啟動(dòng)過(guò)程主要包括初級(jí)側(cè)MOSFET和次級(jí)側(cè)SR軟啟動(dòng)。

初級(jí)側(cè)FET的預(yù)偏置軟啟動(dòng)(如下圖中的系統(tǒng)上電順序圖所示)：

1、輸入電壓VIN會(huì)伴隨外部所加載電壓的上升而上升，一旦VIN>15V且VCC/REF高于其UV閾值，F(xiàn)ly-buck產(chǎn)生的次級(jí)側(cè)輔助電源VAUX2就會(huì)啟動(dòng)。這里VAUX2除了提供次級(jí)側(cè)的元器件供電以外，同時(shí)作為一個(gè)使能信號(hào)參與到預(yù)偏置啟動(dòng)過(guò)程中。

2、當(dāng)UVLO超過(guò)1.25V且VCC/REF高于其UV閾值時(shí)，SS引腳上連接的軟啟動(dòng)電容開(kāi)始充電。當(dāng)SS <2V時(shí)，VAUX2保持在“關(guān)閉狀態(tài)”。即VAUX2>閾值電壓TH（根據(jù)設(shè)計(jì)設(shè)置），此時(shí)會(huì)激活使輸出電壓參考VREF放電的復(fù)位電路，從而鉗制VREF值到地。這就確保了光耦合器產(chǎn)生0％占空比命令。當(dāng)UVLO超過(guò)1.25V且VCC和REF高于相應(yīng)的UV閾值時(shí)，軟啟動(dòng)電容開(kāi)始充電，SS引腳電壓開(kāi)始上升。

3、當(dāng)SS>=2V時(shí)，VAUX2電壓值進(jìn)入“開(kāi)通狀態(tài)”（VAUX2

4、當(dāng)VAUX2

5、當(dāng)VREF>Vo（預(yù)偏置電壓）時(shí)，Vcomp開(kāi)始上升。

6、當(dāng)Vcomp>1V（對(duì)應(yīng)0％占空比）時(shí)，初級(jí)FET的占空比開(kāi)始增加（Vo上升）。與此同時(shí)，同步整流SR軟啟動(dòng)引腳SSSR電容開(kāi)始充電。

次級(jí)側(cè)SR的軟啟動(dòng)過(guò)程:

1、在SSSR>=1V之前，LM5036工作在SR SYNC模式，如下圖標(biāo)號(hào)3的位置，此時(shí)SR與主FET保持完全同步，這樣主要作用是：1）有助于降低SR的傳導(dǎo)損耗；2）避免出現(xiàn)反向電流的風(fēng)險(xiǎn)。

2、隨著初級(jí)FET和SR脈沖寬度逐漸增加，此時(shí)Vo逐漸上升，這種逐步增加脈寬的方式有效防止由于體二極管和SR Rdson之間的電壓降的差異引起的輸出電壓干擾。

3、隨著SSSR電壓的上升，當(dāng)SSSR>1V時(shí)，LM5036開(kāi)始SR續(xù)流周期的軟啟動(dòng)。

4、SR1和SR2在續(xù)流期間同時(shí)接通。

5、在SR續(xù)流周期結(jié)束時(shí)，在主時(shí)鐘的上升沿，SR與下一個(gè)功率傳輸周期主FET狀態(tài)相關(guān)。同相繼續(xù)保持開(kāi)通，異相關(guān)斷。（如下圖所示，SR1與HSG屬于同相開(kāi)通，在5號(hào)主clk上升沿處SR1保持開(kāi)通狀態(tài)，SR2由于是異相因此保持關(guān)斷狀態(tài)，后半周期正好相反。）

6、在功率傳輸周期結(jié)束時(shí)，主FET和同相SR同時(shí)關(guān)閉。在軟啟動(dòng)結(jié)束后，SR脈沖將與相應(yīng)的主FET互補(bǔ)。

由于有次級(jí)側(cè)預(yù)偏置軟啟動(dòng)的過(guò)程，可以有效控制次級(jí)側(cè)參考電壓斜坡上升，僅在參考電平VREF高于輸出電壓時(shí)激活SR。這樣就保證了在整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程不會(huì)出現(xiàn)SR吸收輸出電容能量的現(xiàn)象，自然也不會(huì)出現(xiàn)電容電壓跌落的情況。如下圖所示，在整個(gè)軟啟過(guò)程中，輸出電壓保持單調(diào)平穩(wěn)上升，可有效確保系統(tǒng)內(nèi)數(shù)字電路以正確的順序開(kāi)始工作。

基于LM5036的設(shè)計(jì)

請(qǐng)注意，在設(shè)計(jì)帶LM5036的DC/DC轉(zhuǎn)換器時(shí)，用戶無(wú)需考慮這種預(yù)偏置啟動(dòng)過(guò)程，因?yàn)檫@是LM5036本身完全控制的功能。

輔助電源篇

集成輔助源：

對(duì)于半橋驅(qū)動(dòng)器而言在沒(méi)有外接輔助電源時(shí)，系統(tǒng)需要一個(gè)單獨(dú)的偏置電源和更多組件。 不能輕易調(diào)節(jié)次級(jí)側(cè)偏置電壓來(lái)控制系統(tǒng)軟啟動(dòng)過(guò)程。因此這里就需要單獨(dú)的外接電源以及更多的組件，最終就會(huì)大大占用板級(jí)面積。

而LM5036自身集成了具有恒定導(dǎo)通時(shí)間控制模式(COT)控制模式的Fly-buck控制器，可以用來(lái)給LM5036及初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)器件供電。而且這里的COT控制模式中的ON time的時(shí)間長(zhǎng)度是可以通過(guò)Pin-6的Ron來(lái)進(jìn)行設(shè)置的。只需要外接RFB1和 RFB2就可以設(shè)置VAUX1，VAUX2的電壓值。只需要外接一個(gè)小小的輔助源變壓器，就可以實(shí)現(xiàn)LM5036初級(jí)側(cè)VCC供電，次級(jí)側(cè)隔離驅(qū)動(dòng)供電，隔離光耦運(yùn)放等的供電（如上圖所示各部分的供電電源）。VAUX2同時(shí)參與了預(yù)偏置啟動(dòng)過(guò)程，作為一個(gè)溝通初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)的使能信號(hào)，通過(guò)和放電復(fù)位電路的配合實(shí)現(xiàn)預(yù)偏置啟動(dòng)的時(shí)序控制?？梢钥吹絍AUX2在這里完成了初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)的通信，而避免使用額外的隔離信號(hào)電路。間接減少BOM數(shù)量從而增加功率密度。此外，對(duì)于輔助變壓器的設(shè)計(jì)，完全可以通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的工具設(shè)計(jì)計(jì)算表格去實(shí)現(xiàn)變壓器及相關(guān)器件的設(shè)計(jì)。應(yīng)用簡(jiǎn)單，大大節(jié)省板級(jí)面積以及綜合成本。如下圖所示，只需要外加一個(gè)小小的輔助變壓器（黃色部分）就可以輕松實(shí)現(xiàn)這些功能，大大提高系統(tǒng)功率密度。

如上圖所示，SW_AUX為Fly-buck的輸出端，L3為buck電路的輸出側(cè)電感，C36為輸出側(cè)電容，R22與R23為反饋分壓電阻，R24,C34與C35構(gòu)成Type-3的紋波注入電路。在使用計(jì)算工具時(shí)，首先輸入一些輔助電源的基本信息，頻率，負(fù)載電流值，電感取值。即可計(jì)算出相應(yīng)的電容選型。

對(duì)于FB電阻，可以根據(jù)Flybuck的前級(jí)及后級(jí)的電壓來(lái)計(jì)算出相應(yīng)的FB電阻，如Auxiliary Feedback Circuit表格所示。

至于RCC紋波注入電路的參數(shù)選擇，計(jì)算表格中有三種不同的電路選擇，選擇TYPE-3之后，可以輸入目標(biāo)的紋波電壓值以及紋波電流值，即可計(jì)算出相應(yīng)的RCC阻容值。這里一般固定Cac與Rr的值，至于Cr可以根據(jù)計(jì)算值進(jìn)行相應(yīng)的選型。

上圖所示是基于LM5036的參考評(píng)估板的布局規(guī)則，上半部分是輸入濾波電路，半橋電路，輸出側(cè)同步整流以及輸出濾波電路。下半部分為L(zhǎng)M5036周邊關(guān)鍵器件，輔助電源電路以及反饋回路調(diào)節(jié)電路，輔助電源利用極小的占板面積卻達(dá)到一舉多得的作用。業(yè)界中常見(jiàn)的200W磚塊電源通常使用1/8磚的版圖。由于LM5036的高集成度，200W功率電源現(xiàn)在已經(jīng)可以在1/16磚模塊上即可實(shí)現(xiàn)，同樣的功率可以做到更小的版圖面積上。