基于LM 5036的半桥DC/DC电源——预偏置启动篇

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。

 

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。从图一中就可以看出,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。                         

Without full regulated prebias start-up

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两个方面的软启:1)初级侧MOSFET软启动; 2)二次侧SR软启动。

原边fets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产生的副边辅助电源VAUX2就会启动。这里VAUX2除了提供副边的元器件供电以外,同时作为一个使能信号参与到欲偏执启动过程中。

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1.25 V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。

二次侧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。

由于有二次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,自然也就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。

               

LM5036 Based Design

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程序,因为这是LM5036本身完全控制的功能。