基于LM5036“智能”型半桥DC/DC电源设计方案

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:

  • 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。
  • 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。
  • 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。

为此从控制器应用角度出发,我们设计基于LM5036控制器的典型应用电路。评估板LM5036EVM-264采用以下的设计指标,在LM5036数据手册的设计实例部分,也采用了同一个设计电路进行说明。

下图为LM5036评估版的设计原理图及功能说明。

原理图上部是半桥隔离电路及副边同步整流电路。中间部分是Fly-buck结构的辅助电源部分。

  1. Fly-buck在原边产生的电源(1)用于给LM5036供电。在副边产生的电源Vaux2(2)给副边的元器件进行供电,例如运算放大器,光耦,隔离驱动等。如前面在预偏置启动部分的介绍,Vaux2同时参与了预偏置启动过程,作为一个沟通原边和副边的一个使能信号。
  2. LM5036 REF引脚(4)是一个5V的电压输出,带有39mA的驱动能力。在LM5036评估板的设计中,REF输出用于给隔离驱动UCC21225A及光耦在原边的供电。在其他设计中REF还可以用于给版上其他IC或器件进行供电。
  3. LM5036的双路PWM(5)输出带有2A的驱动能力,在评估板设计中直接驱动半桥的功率管而不需要额外的驱动电路。
  4. LM5036的双路同步整流SR输出,通过隔离驱动来驱动副边的同步整流管。在输入电压较低的应用中,同步整流可以提到效率。
  5. LM5036的输入引脚VIN可以直接连接到最大100V的电压输入(6)。在需要大于100V输入的应用中,LM5036也可以通过连接电路的配置支持大于100V的应用场景。
  6. 原理图中标识(7)部分配有跳线对LM5036的ON/OFF引脚的外围电路进行选择,从而配置LM5036在错误清除时,工作在锁死或是自动启动状态。

LM5036的EVM板级分布也比较清晰,如下图所示,包括输入滤波部分,半桥拓扑架构和二次侧整流部分,集成辅助源部分,以及副边反馈的反馈回路部分。整体设计输入电压48V,输出电压12V,满载电流8A;在整个EVM 设计文档中,有着详细设计流程,以及相关的测试波形。本文着重介绍一些典型测试波形以及在设计中的一些计算文档用来提高设计计算效率。

下图即为LM5036评估板的效率曲线图。可以看到即便在轻载范围内,该评估板也可达到较高的效率及较为平滑的效率曲线。在输入电压较低时,可以达到更高的占空比,有助于效率的提升。

对于LM5036的预偏置启动功能:

下图是预偏置启动的测试波形。测试条件为输入48V,启动时输出端带有2V的电压(4通道波形)。蓝色波形为原边开关波形,绿色为输出电压,黄色为输出电感电流。可以看到,输出电压在带有2V的预偏置时,启动后可以达到单调上升,没有下跌或过冲的输出。

LM5036EVM 预偏置启动测试

在整个LM5036EVM-264 评估板设计环节,除此之外,还有很多的测试波形,例如输出电压纹波,负载动态测试,静态电压电流以及开关节点测试等等很多的测试项。整体而言LM5036作为DC/DC隔离电源控制器,在半桥设计,全桥应用等领域有着得天独厚的优势,随着市场电源产品的发展,在越来越高的功率密度,越来越高的可靠性要求下,LM5036是一款非常不错的隔离电源应用选择。利用本文所提到的典型LM5036设计应用技巧,可大大节省研发时间,提高设计效率。在后续的博客中我们会重点介绍LM5036的各大优势。