基于LM5036的半橋DC/DC電源——電流保護篇

發布時間:2018/11/20

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,數據通信,工業電源轉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半橋拓撲功率轉換器所需的所有功能。 該器件適用于隔離式DC-DC轉換器的初級側,輸入電壓高達100V。與傳統半橋及全橋控制器相比,LM5036有著自身不可替代的優勢:

(1)集成輔助偏置電源,為LM5036及原邊和副邊元器件供電,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負載帶壓啟動時,輸出電壓的單調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產生均勻的輸出電流限制水平,并且還可以防止變壓器飽和。

 

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。控制器基本上表現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(降壓轉換器為0.5)時出現的次諧波振蕩。

經驗法則是增加補償斜坡,其斜率必須設置為通過電流檢測電阻器轉換到初級側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周期后消除次諧波振蕩,則必須將斜率補償設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次數來確保穩定的CBC操作。 通過VIN調節峰值電流限制閾值,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引腳和相關的外部電阻設置。 使用LM5036設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器件開發了一種新技術 - 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的額外信號,可以在整個輸入電壓范圍內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LM503??6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在可以推導為:

上圖左為LM5036逐周期電流限制的外接電路、LM5036內部實現示意電路。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。從而實現在整個電壓輸入范圍內,電流閾值保持在一個很小的范圍內。

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,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相位的下一半開關周期內將保持原本采樣值并正常運行。當高側相位RAMP信號上升到采樣值以上時,高側PWM脈沖關閉,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。

同時,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。除了傳統的過流打嗝模式,LM5036還支持倒灌電流的嗝模式保護 。當倒灌電流反復出現時,LM5036也可進入打嗝模式。打嗝重啟電容器處設置15μA電流源。

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