【導讀】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現(xiàn)半橋拓撲功率轉(zhuǎn)換器所需的所有功能。該器件適用于隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器的初級側(cè)，輸入電壓高達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：
(1)、集成輔助偏置電源，為LM5036及初級側(cè)和次級側(cè)元器件供電，無需外部輔助電源，減少電路板尺寸和成本，有助于實現(xiàn)高功率密度和良好的熱可靠性。
(2)、增強的預偏置啟動性能可實現(xiàn)負載帶壓啟動時，輸出電壓的單調(diào)遞增并避免倒灌電流。
(3)、通過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。
電流保護篇
脈沖匹配的電流限制保護機制：
恒流限制問題和解決方案：
在逐周期運行期間，當電流感測信號ISENSE達到正閾值IPOS_LIM時，激活CBC電流限制操作?？刂破骰旧媳憩F(xiàn)為峰值電流模式控制，在CBC操作期間電壓回路打開。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（降壓轉(zhuǎn)換器為0.5）時出現(xiàn)的次諧波振蕩。
經(jīng)驗法則是增加補償斜坡，其斜率必須設(shè)置為通過電流檢測電阻器轉(zhuǎn)換到初級側(cè)的輸出電感器電流的下坡的至少一半。如果希望在一個開關(guān)周期后消除次諧波振蕩，則必須將斜率補償設(shè)置為輸出電感電流下行斜率的一倍。這被稱為無差拍控制。
但是，在添加斜率補償后會出現(xiàn)另一個問題。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償幅度不同，實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。這樣的機制使得輸出電流限制容差較差。需要更多的設(shè)計余量，導致功率密度較差。
非恒定電流限制
LM5036通過匹配初級MOSFET的ton次數(shù)來確保穩(wěn)定的CBC操作。通過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CS引腳和相關(guān)的外部電阻設(shè)置。使用LM5036設(shè)計計算表格可以計算這些電阻的值。正電流和負電流（導致輸出電壓下降甚至損壞）都將被感測和限制。
LM5036器件開發(fā)了一種新技術(shù)-輸入電壓補償。通過在電流感測信號和斜率補償信號之上添加作為輸入電壓的函數(shù)的額外信號，可以在整個輸入電壓范圍內(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，斜率補償信號是鋸齒電流信號ISLOPE，在振蕩器頻率（開關(guān)頻率的兩倍）上從0增加到50μA（典型值）。
補償后的電流檢測信號現(xiàn)在可以推導為：
下圖左為LM5036逐周期電流限制的外接電路、LM5036內(nèi)部實現(xiàn)示意電路。
右圖為電流感測信號的組成說明。可見LM5036在電流檢測上不僅檢測正向電流，還通過外接RLIM電阻及內(nèi)部電流源VLIM提升電流感測的電流值，從而留出測量空間以便感測反向電流和設(shè)置反向電流閾值。同時由于引入輸入電壓VIN信號到電流感測上，使得感測電流包含輸入電壓信息。從而實現(xiàn)在整個電壓輸入范圍內(nèi)，電流閾值保持在一個很小的范圍內(nèi)。
與此同時，LM5036擁有脈沖匹配機制，在Cycle-By-Cycle運行期間保持主變壓器的磁通平衡。上下兩個主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。當在第1階段達到電流限制時，LM5036內(nèi)部的FLAG信號由低變高。RAMP信號在FLAG信號的上升沿被采樣，然后在高邊MOSFET相位的下一半開關(guān)周期內(nèi)將保持原本采樣值并正常運行。當高側(cè)相位RAMP信號上升到采樣值以上時，高側(cè)PWM脈沖關(guān)閉，這樣最終會使得兩個相位的占空比匹配。
脈沖匹配機制
在過流保護中LM5036和傳統(tǒng)DC/DC控制相同都是處于脫離電壓控制而進入電流控制模式。但是電流模式中由于加入斜波補償，從而引入了輸入電壓。此時傳統(tǒng)的控制的電流上限會隨輸入電壓的變化而不同。但在LM5036中，由于電流檢測也檢測輸入電壓值，通過內(nèi)部控制，可以有效消除輸入電壓變換帶來的影響。同時，在過流保護中，如果檢測電流達到了閾值，LM5036通過脈沖匹配可以保證上下管的開通時間的一致性，從而避免變壓器飽和的風險。
LM5306在過流保護時可以進入打嗝模式。其周期可由RES引腳上的外接電容進行配置。除了傳統(tǒng)的過流打嗝模式，LM5036還支持倒灌電流打嗝模式保護。當?shù)构嚯娏鞣磸统霈F(xiàn)時，LM5036也可進入打嗝模式。打嗝重啟電容器處設(shè)置15μA電流源。
預偏置啟動篇
預偏置啟動:
在沒有完全可控的預偏置啟動情況下，次級側(cè)的SR可能過早地閉合導通以從預充電的輸出電容器吸收電流，傳遞到輸入端，這樣導致電容電壓出現(xiàn)下降的情況。如果此過程導致的電壓降低過大，可能會導致重新啟動負載甚至損壞電源轉(zhuǎn)換器功率級部分。從下圖中就可以看出，在沒有預偏置調(diào)節(jié)的啟動過程中輸出電壓出現(xiàn)電壓跌落以及過沖的情況。
沒有完全調(diào)節(jié)的預偏置啟動
而LM5036采用全新的完全穩(wěn)壓預偏置啟動方案，以確保輸出電壓的單調(diào)上升及避免反向電流。這里的預偏置啟動過程主要包括初級側(cè)MOSFET和次級側(cè)SR軟啟動。
初級側(cè)FET的預偏置軟啟動(如下圖中的系統(tǒng)上電順序圖所示)：
1、輸入電壓VIN會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)生的次級側(cè)輔助電源VAUX2就會啟動。這里VAUX2除了提供次級側(cè)的元器件供電以外，同時作為一個使能信號參與到預偏置啟動過程中。
2、當UVLO超過1.25V且VCC/REF高于其UV閾值時，SS引腳上連接的軟啟動電容開始充電。當SS <2V時，VAUX2保持在“關(guān)閉狀態(tài)”。即VAUX2>閾值電壓TH（根據(jù)設(shè)計設(shè)置），此時會激活使輸出電壓參考VREF放電的復位電路，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UVLO超過1.25V且VCC和REF高于相應(yīng)的UV閾值時，軟啟動電容開始充電，SS引腳電壓開始上升。
3、當SS>=2V時，VAUX2電壓值進入“開通狀態(tài)”（VAUX2<TH，VAUX2的“關(guān)閉狀態(tài)”和“開通狀態(tài)”的電壓比例關(guān)系為1.4：1），輔助電源將產(chǎn)生導通電壓。
4、當VAUX2<TH時，VREF從被鉗制到地到被釋放，輸出電壓開始進行軟啟動過程。占空比由反饋環(huán)路控制，而不受SS電容器電壓影響（因為Vcomp<Vss）。
5、當VREF>Vo（預偏置電壓）時，Vcomp開始上升。
6、當Vcomp>1V（對應(yīng)0％占空比）時，初級FET的占空比開始增加（Vo上升）。與此同時，同步整流SR軟啟動引腳SSSR電容開始充電。
次級側(cè)SR的軟啟動過程:
1、在SSSR>=1V之前，LM5036工作在SR SYNC模式，如下圖標號3的位置，此時SR與主FET保持完全同步，這樣主要作用是：1）有助于降低SR的傳導損耗；2）避免出現(xiàn)反向電流的風險。
2、隨著初級FET和SR脈沖寬度逐漸增加，此時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SSSR>1V時，LM5036開始SR續(xù)流周期的軟啟動。
4、SR1和SR2在續(xù)流期間同時接通。
5、在SR續(xù)流周期結(jié)束時，在主時鐘的上升沿，SR與下一個功率傳輸周期主FET狀態(tài)相關(guān)。同相繼續(xù)保持開通，異相關(guān)斷。（如下圖所示，SR1與HSG屬于同相開通，在5號主clk上升沿處SR1保持開通狀態(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，主FET和同相SR同時關(guān)閉。在軟啟動結(jié)束后，SR脈沖將與相應(yīng)的主FET互補。
由于有次級側(cè)預偏置軟啟動的過程，可以有效控制次級側(cè)參考電壓斜坡上升，僅在參考電平VREF高于輸出電壓時激活SR。這樣就保證了在整個啟動過程不會出現(xiàn)SR吸收輸出電容能量的現(xiàn)象，自然也不會出現(xiàn)電容電壓跌落的情況。如下圖所示，在整個軟啟過程中，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始工作。
基于LM5036的設(shè)計
請注意，在設(shè)計帶LM5036的DC/DC轉(zhuǎn)換器時，用戶無需考慮這種預偏置啟動過程，因為這是LM5036本身完全控制的功能。
輔助電源篇
集成輔助源：
對于半橋驅(qū)動器而言在沒有外接輔助電源時，系統(tǒng)需要一個單獨的偏置電源和更多組件。 不能輕易調(diào)節(jié)次級側(cè)偏置電壓來控制系統(tǒng)軟啟動過程。因此這里就需要單獨的外接電源以及更多的組件，最終就會大大占用板級面積。
而LM5036自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，可以用來給LM5036及初級側(cè)和次級側(cè)器件供電。而且這里的COT控制模式中的ON time的時間長度是可以通過Pin-6的Ron來進行設(shè)置的。只需要外接RFB1 和 RFB2就可以設(shè)置VAUX1 ，VAUX2的電壓值。只需要外接一個小小的輔助源變壓器，就可以實現(xiàn)LM5036初級側(cè)VCC供電，次級側(cè)隔離驅(qū)動供電，隔離光耦運放等的供電（如上圖所示各部分的供電電源）。VAUX2同時參與了預偏置啟動過程，作為一個溝通初級側(cè)和次級側(cè)的使能信號，通過和放電復位電路的配合實現(xiàn)預偏置啟動的時序控制?？梢钥吹絍AUX2在這里完成了初級側(cè)和次級側(cè)的通信，而避免使用額外的隔離信號電路。間接減少BOM數(shù)量從而增加功率密度。此外，對于輔助變壓器的設(shè)計，完全可以通過一個簡單的工具設(shè)計計算表格去實現(xiàn)變壓器及相關(guān)器件的設(shè)計。應(yīng)用簡單，大大節(jié)省板級面積以及綜合成本。如下圖所示，只需要外加一個小小的輔助變壓器（黃色部分）就可以輕松實現(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。在使用計算工具時，首先輸入一些輔助電源的基本信息，頻率，負載電流值，電感取值。即可計算出相應(yīng)的電容選型。
對于FB電阻，可以根據(jù)Flybuck的前級及后級的電壓來計算出相應(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，可以輸入目標的紋波電壓值以及紋波電流值，即可計算出相應(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)計算值進行相應(yīng)的選型。
上圖所示是基于LM5036的參考評估板的布局規(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LM5036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到一舉多得的作用。業(yè)界中常見的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磚模塊上即可實現(xiàn)，同樣的功率可以做到更小的版圖面積上。
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