基于LM5036的半桥DC/DC电源——电流保护篇

发布时间:2018/11/20

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及原边和副边元器件供电,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。

 

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

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。

 

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LM503??6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:

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

 

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。

同时,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还支持倒灌电流的嗝模式保护 。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。

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