級(jí)聯(lián)式PWM控制器LM5041.doc

級(jí)聯(lián)式PWM控制器LM5041 LM5041型PWM控制器系為級(jí)聯(lián)拓樸DC/DC設(shè)計(jì)的一款專用芯片，前級(jí)為同步降壓控制，第二級(jí)為推挽或全橋控制，它非常適用于多輸出電壓及中、大功率的場合。PWM執(zhí)行電流前饋或電壓前饋，它的四個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)包括bulk級(jí)的HD和LD及推挽級(jí)的PUSH/PULL，第二級(jí)的兩輸出工作在各50%占空比，開關(guān)頻率為bulk級(jí)的一半。IC確保兩輸出之間的死區(qū)時(shí)間，外部接不同的驅(qū)動(dòng)器可作推挽，半橋或全橋。LM5041芯片內(nèi)含高壓起動(dòng)源，最高輸入達(dá)100V。振蕩器最高工作頻率可達(dá)1MHz。此外還有UVLO及軟起動(dòng)，精密基準(zhǔn)，誤差放大器及過熱關(guān)斷電路。因此它是用于通訊系統(tǒng)作級(jí)聯(lián)拓樸的上乘之選。 主要特色：* 芯片內(nèi)部高壓起動(dòng)源。* 可調(diào)的UVLO。* 電流型控制。* 誤差放大器及精密基準(zhǔn)。* 兩種模式的過流保護(hù)。* 前沿消隱。* 推挽級(jí)可調(diào)節(jié)的死區(qū)時(shí)間。* 軟起動(dòng)。* 振蕩器可外同步。* 芯片過熱保護(hù)。主要用于通訊及汽車電子，適用于多輸出電壓的場合。LM5041共有16個(gè)PIN腳，各PIN腳功能如下：1PIN VIN 輸入電壓源端。起動(dòng)調(diào)節(jié)器的輸入端，輸入電壓范圍為15V到100V。2PIN FB 誤差放大器的反饋信號(hào)端。為內(nèi)部誤差放大器反相輸入，同相輸入接到0.75V的基準(zhǔn)電壓。3PIN COMP 內(nèi)部誤差放大器的輸出端。在此端有一個(gè)內(nèi)部5K的上拉電阻。誤差放大器提供一個(gè)有源的漏。4PIN VREF 精密5V基準(zhǔn)電壓輸出端。最大輸出電流10mA，用一個(gè)0.1F的電容局部去耦。在線路欠壓時(shí)基準(zhǔn)電壓很低直到Vcc電壓達(dá)標(biāo)。5PIN HD Bulk 主控制輸出端。BUCK級(jí)的PWM控制開關(guān)輸出端。最大占空比被嵌制，因?yàn)榇溯敵鱿喈?dāng)于一個(gè)典型的周期為240ns的關(guān)斷時(shí)間狀態(tài)。6PIN LD BUCK級(jí)同步開關(guān)控制輸出端。同步開關(guān)控制輸出端。HD輸出端的反相。LM5101或LM5102的低端驅(qū)動(dòng)能用于驅(qū)動(dòng)同步整流器開關(guān)。7 PIN Vcc 內(nèi)部高壓起動(dòng)調(diào)節(jié)器的輸出端，穩(wěn)壓到9V。如果在此端的一個(gè)輔助繞組電壓升高超過穩(wěn)壓設(shè)置點(diǎn)，內(nèi)部起動(dòng)調(diào)節(jié)器將關(guān)斷，以便降低IC的功率損耗。8 PIN PUSH 推挽級(jí)柵驅(qū)動(dòng)的輸出端。推挽級(jí)柵驅(qū)動(dòng)的輸出端。輸出電流峰值為1.5A。9 PIN PULL 推挽級(jí)柵驅(qū)動(dòng)的另一個(gè)輸出端。推挽級(jí)柵驅(qū)動(dòng)的另一個(gè)輸出端。輸出電流峰值為1.5A。10 PIN PGND 功率地。直接連接到模擬地。11 PIN AGND 模擬地。直接連接到功率地。12 PIN CS 電流采樣輸入端。PWM比較器的電流采樣輸入端。在此端有一個(gè)50ns的前沿消隱。如果CS端電壓超過0.5V,輸出將進(jìn)入逐個(gè)周期電流限制，如果CS端電壓超過0.6V，輸出將被禁止，并且軟起動(dòng)開始工作。13 PIN SS 軟起動(dòng)控制端。一個(gè)外部電容和一個(gè)10A的內(nèi)部電流源設(shè)置軟起動(dòng)斜波。如果SS端電壓低于0.45V的關(guān)斷閾值，控制器將進(jìn)入低功耗狀態(tài)。14 PIN TIME 推挽重迭和死區(qū)時(shí)間控制端。一個(gè)外部電阻RSET為推挽輸出設(shè)置重迭時(shí)間或死區(qū)時(shí)間。連接在TIME端和GND端的電阻大小決定重迭時(shí)間。連接在TIME端和REF端的電阻大小決定死區(qū)時(shí)間。15 PIN RT / SYNC 振蕩器定時(shí)電阻端。外接一只電阻設(shè)定工作頻率。并可以接受外同步信號(hào)同步工作。16 PIN UVLO 線路欠壓關(guān)斷端子。外接一個(gè)電阻分壓器設(shè)定欠壓關(guān)斷的電平。窗口為2.5V，由IC內(nèi)部設(shè)置。LLP/DAP SUB LLP封裝的散熱接地端。LM5041的內(nèi)部等效電路如圖1所示。細(xì)節(jié)功能描述如下：LM5041 PWM控制器包含電流前饋型或電壓前饋型的推挽式或橋式功率轉(zhuǎn)換器全部必要的特色。這種級(jí)聯(lián)式拓樸可以很好地適用于多路輸出和大功率應(yīng)用。LM5041的4個(gè)控制輸出包括：Bulk級(jí)控制（HD和LD）和推挽級(jí)控制輸出（PUSH、PULL）。推挽式輸出在Buck級(jí)的一半開關(guān)頻率下以各50%的額定占空比輸出驅(qū)動(dòng)，并且它有適用于電流反饋型的重迭時(shí)間或適用于電壓反饋型的關(guān)斷時(shí)間。Buck級(jí)需要一個(gè)外部驅(qū)部器，而推挽級(jí)能直接從內(nèi)部給出柵驅(qū)動(dòng)輸出。 圖1 LM5041級(jí)聯(lián)控制IC的內(nèi)部等效電路LM5041包括一個(gè)高壓起動(dòng)調(diào)節(jié)器，它可以工作在從15V 100V的寬輸入范圍。PWM控制器有高速能力其振蕩頻率范圍達(dá)到1MHz，并且它的總傳輸延遲低于100ns。附加的功能包括：軟起動(dòng)，誤差放大器，精密電壓基準(zhǔn)和芯片過熱關(guān)斷。高壓起動(dòng)調(diào)整器（穩(wěn)壓器）LM5041包括一個(gè)高壓起動(dòng)調(diào)整器，因此輸入端Vin可以直接接到線路輸入電壓上。穩(wěn)壓器的輸出電流在內(nèi)部被限制在15mA。當(dāng)電源使能后，穩(wěn)壓器啟動(dòng)并且能源出電流流入到連接在Vcc端的外部電容上，Vcc穩(wěn)壓器的電容值建議為0.1f到100f。當(dāng)加到Vcc端上的電壓達(dá)到9V 的穩(wěn)壓點(diǎn)并且內(nèi)部基準(zhǔn)到5V的穩(wěn)壓點(diǎn)時(shí)，控制器的輸出被啟動(dòng)。Buck級(jí)輸出將保持開通直到Vcc降到7V或線路欠壓鎖定檢測器指示Vin超出范圍。推挽級(jí)輸出持續(xù)開關(guān)直到REF引腳降到大約3V以下。在典型的應(yīng)用中，變壓器輔助繞組通過一個(gè)二極管被連接到Vcc引腳上。此繞組必須提高Vcc電壓值高于9.3V以便關(guān)掉內(nèi)部高壓起動(dòng)源。從一個(gè)輔助繞組給Vcc供電用以提高效率，以便減小控制器的功率損耗。建議VREF調(diào)整器輸出的旁路電容值范圍為0.1F到10F。外部Vcc電容必須足夠大，以便于在最初啟動(dòng)期間，此電容能使Vcc電壓值保持在7V以上。在故障期間，轉(zhuǎn)換器的輔助繞組處在非激活狀態(tài)。驅(qū)動(dòng)Vcc的外部電流愛到限制。在起動(dòng)調(diào)節(jié)器上的功率損耗不得超過控制器允許的最大功耗。一個(gè)外部起動(dòng)或其它偏置源可以用于替代內(nèi)部的起動(dòng)調(diào)節(jié)器，替代方法是把Vcc和Vin兩個(gè)引腳連接在一起，并且把外部偏置電壓饋送到這兩個(gè)引腳上。線路欠壓檢測LM5041包含一個(gè)線路欠壓鎖死（UVLO）電路。一個(gè)外部的電阻分壓器接于Vin和地之間來設(shè)置轉(zhuǎn)換器的工作范圍。此分壓器要這樣設(shè)計(jì)，在VIN所要求的工作范圍內(nèi)，UVLO端的電壓要高于2.5V。如果欠壓的閾值沒有達(dá)到，控制器所有的功能將都將被禁止。此時(shí)，控制器進(jìn)入電流低于300A的低功耗狀態(tài)。UVLO的窗口通過一個(gè)20A的內(nèi)部電流源在UVLO端電壓升起時(shí)被激活。閾值將提高UVLO端的電壓升高。當(dāng)UVLO引腳下降到2.5V以下的閾值時(shí)，電流源關(guān)斷使UVLO端電壓下降。UVLO引腳也可用于實(shí)現(xiàn)遙控開關(guān)功能。將UVLO端接地，轉(zhuǎn)換器被禁止?？刂破饕部梢酝ㄟ^軟起動(dòng)端SS被禁止。如果SS端被強(qiáng)制低于0.45V時(shí)，控制器將進(jìn)入低功耗狀態(tài)。降壓級(jí)控制器輸出LM5041的Buck開關(guān)最大占空比箝制用于確保每個(gè)周期能給高邊柵驅(qū)動(dòng)的bootsrtrap電容重新充電的時(shí)間。Buck開關(guān)要確保被關(guān)斷，并且同步開關(guān)開通，且對每個(gè)開關(guān)周期至少是250ns。Buck級(jí)控制輸出（LD及HD）為邏輯電平（0到5V）的CMOS緩沖器。在任何故障狀態(tài)或欠壓關(guān)斷狀態(tài)，buck級(jí)的控制輸出將不執(zhí)行HD低和LD高的命令。推挽輸出級(jí)推挽輸出級(jí)工作在連續(xù)狀態(tài)一般為各50%占空比。LM5041的一個(gè)顯著的特點(diǎn)是能夠準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)兩推挽輸出的死區(qū)時(shí)間或重迭時(shí)間。重迭死區(qū)時(shí)間大小采用一個(gè)電阻接到TIME引腳來控制。TIME端保持電阻一端的電壓在2.5V。另一端接到REF端實(shí)現(xiàn)死區(qū)時(shí)間的設(shè)置或接到GND端實(shí)現(xiàn)重迭時(shí)間的控制。TIME端的電流極性由LM5041檢測。重迭或死區(qū)時(shí)間的大小可用下面公式計(jì)算：Overlap Time(ns) = (3.66*RSET)+7重迭時(shí)間為ns，RSET連接到GND，RSET單位為K。Dead Time(ns) = (3.69*RSET)+21死區(qū)時(shí)間為ns，RSET連接到REF，RSET單位為K。推薦RSET調(diào)節(jié)范圍：10K-100K。電流反饋型設(shè)計(jì)要求重迭時(shí)間以確保Buck電感電流能持續(xù)工作。電流前饋設(shè)計(jì)需要一個(gè)死區(qū)時(shí)間以確保推挽變壓器從短時(shí)導(dǎo)通型到成為一個(gè)低阻抗源的結(jié)點(diǎn)時(shí)沒有間隔。推挽級(jí)輸出在REF端電壓高于3V的所有條件下能連續(xù)地交互工作。PWM比較器PWM比較器比較補(bǔ)償電流斜波的斜率和環(huán)路的誤差電壓(內(nèi)部誤差放大器Comp端)。該比較器能使快速實(shí)現(xiàn)最小可控占空比達(dá)到最佳狀態(tài)。比較器極性為Comp端0V時(shí)將Buck級(jí)占空比減到零。誤差放大器內(nèi)部高增益寬帶放大器置于LM5041內(nèi)，放大器同相端輸入接在0.75V基準(zhǔn)。反相輸入接至FB端子，在非隔離應(yīng)用時(shí)，變換器輸出通過一個(gè)電阻分壓器直接接到FB端。環(huán)路補(bǔ)償元件接于Comp與FB端之間。對隔離應(yīng)用，誤差放大器的功能由二次側(cè)光耦及TL431執(zhí)行。初級(jí)側(cè)的放大器不用。內(nèi)部誤差放大器為開漏極輸出，將FB端接地即被禁止。內(nèi)部5K上拉電阻接于5V基準(zhǔn)和Comp端之間，作為光耦三極管的集電極電阻。電流限制和電流檢測LM5041飲食兩個(gè)電平的過流保護(hù)。如果CS端上的電壓超過0.5V，將Buck級(jí)占空比終止，如果CS端電壓沖過0.5V達(dá)到0.6V，控制器將立即終止現(xiàn)在的周期，并將軟起動(dòng)電容放電。推薦用一個(gè)小的RC濾波網(wǎng)絡(luò)放在CS端，檢測過流信號(hào)，在每個(gè)周期開始的前50ns，內(nèi)部一個(gè)MOSFET將CS端放電，以減小前沿尖刺，這是Buck級(jí)MOSFET開啟時(shí)帶來的。LM5041電流檢測及PWM比較器速度很快，會(huì)響應(yīng)很短的噪聲脈沖，PCB設(shè)計(jì)時(shí)要考慮電流檢測濾波器及檢測電阻的布局。電容要與CS濾波器緊靠IC。并直接接到控制器的CS與GND端。如果用電流檢測互感器，互感器二次側(cè)的兩引線要接近檢測電阻，在用電阻取代電流互感器時(shí)，電阻要放在推挽的兩MOSFET源極處，但電阻要無感的。當(dāng)選擇檢測電阻時(shí)所有小功率處的噪聲檢測都要接到IC周圍。然后用單一連線接到大電流的功率地。第二級(jí)電流檢測閾值為保護(hù)功率變換器，當(dāng)檢測出大電流時(shí)，在變換器內(nèi)部最小占空比之下打呃式工作。如果達(dá)到第二級(jí)保護(hù)電平，軟起動(dòng)電容放電，起動(dòng)順序重新開始，但此第二級(jí)保護(hù)電平僅在高的dv/dt在電流檢測電阻上展現(xiàn)時(shí)才出現(xiàn)。電流檢測的瞬態(tài)必須足夠快，要在第一檢測電平關(guān)斷Buck級(jí)之前動(dòng)作才會(huì)出現(xiàn)，特高的電流檢測dv/dt會(huì)在濾波電感飽合或輸出突然短路時(shí)出現(xiàn)，CS端上過度濾波或檢測電阻太小或?yàn)V波電感沒飽合，都可防止進(jìn)入第二電平，第一電平電流檢測會(huì)連續(xù)地逐個(gè)周期地限制，變換器輸出特性將變成一個(gè)恒流源。當(dāng)然，維持過載電流的水平會(huì)導(dǎo)致功率級(jí)過熱，特別是輸出整流濾波部分會(huì)過熱。振蕩器及外同步能力LM5041的振蕩器設(shè)置采用單一外接電阻接在RT端與GND端，為設(shè)置所要的頻率f，用下式計(jì)算RT: Buck級(jí)在振蕩頻率下工作，推挽級(jí)在1/2的振蕩頻率下工作。LM5041還可以由外時(shí)鐘進(jìn)行同步。外時(shí)鐘必須高于RT設(shè)置的自由振蕩頻率。時(shí)鐘信號(hào)用一個(gè)100pf電容耦合至RT端，其電平峰值要大于3V。同步脈沖寬度要在15150ns范圍，RT電阻是必備的。另外無論振蕩器自由振蕩還是外同步，RT端電壓在內(nèi)部調(diào)在2V，RT電阻要緊靠IC，并直接接到RT端到GND。斜率補(bǔ)償PWM比較器將COMP端的電壓與電流采樣信號(hào)比較。內(nèi)部誤差放大器的輸出級(jí)通常去影響驅(qū)動(dòng)COMP端。當(dāng)占空比大于50%時(shí)，電流型控制電路受次諧波振蕩的干擾。采用加一個(gè)空固定斜波信號(hào)斜率補(bǔ)償?shù)诫娏鳈z測斜波即可避免振蕩。LM5041集成此斜率補(bǔ)償來緩沖內(nèi)部振蕩器斜波，并把振蕩器產(chǎn)生的電流斜波與電流檢測信號(hào)合成在一起。附加的斜率補(bǔ)償可以由增加電流檢測信號(hào)的源阻抗來提供。軟起動(dòng)和關(guān)斷軟起動(dòng)特性允許功率轉(zhuǎn)換器逐漸地達(dá)到它的初始穩(wěn)定狀態(tài)工作點(diǎn)，從而降低起動(dòng)應(yīng)力和浪涌。當(dāng)電源開通時(shí)，一個(gè)10A的電流從軟起動(dòng)端SS源出給外部電容充電。此電容的電壓將慢慢地上升，并且去限制Buck級(jí)的最大占空比。充電在由于Vcc欠壓而出現(xiàn)故障時(shí)，線路欠壓次級(jí)電流值受到限制，輸出驅(qū)動(dòng)器被禁止，軟起動(dòng)電容放電。當(dāng)故障時(shí)間很短，工作恢復(fù)正常時(shí)，軟起動(dòng)時(shí)序重新開始，Buck級(jí)的占空比將逐漸上升。SS端還可作為一個(gè)使能輸入端工作。如果SS端電壓被強(qiáng)制降到低于閾值0.45V 時(shí)，控制器將進(jìn)入低功耗工作狀態(tài)。過