級聯(lián)式PWM控制器

1、級聯(lián)式PWM控制器LM5041 LM5041型PWM控制器系為級聯(lián)拓樸DC/DC設(shè)計的一款專用芯片，前級為同步降壓控制，第二級為推挽或全橋控制，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，它的四個輸出驅(qū)動包括bulk級的HD和LD及推挽級的PUSH/PULL，第二級的兩輸出工作在各50%占空比，開關(guān)頻率為bulk級的一半。IC確保兩輸出之間的死區(qū)時間，外部接不同的驅(qū)動器可作推挽，半橋或全橋。LM5041芯片內(nèi)含高壓起動源，最高輸入達100V。振蕩器最高工作頻率可達1MHz。此外還有UVLO及軟起動，精密基準，誤差放大器及過熱關(guān)斷電路。因此它是用于通訊系統(tǒng)作級聯(lián)拓樸的

2、上乘之選。 主要特色：* 芯片內(nèi)部高壓起動源。* 可調(diào)的UVLO。* 電流型控制。* 誤差放大器及精密基準。* 兩種模式的過流保護。* 前沿消隱。* 推挽級可調(diào)節(jié)的死區(qū)時間。* 軟起動。* 振蕩器可外同步。* 芯片過熱保護。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PIN腳，各PIN腳功能如下：1PIN VIN 輸入電壓源端。起動調(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的基準電壓。3PIN COMP 內(nèi)部誤差放大器的輸出端。在此端有一個內(nèi)部5K的上拉電阻。誤差放大器提供一

3、個有源的漏。4PIN VREF 精密5V基準電壓輸出端。最大輸出電流10mA，用一個0.1F的電容局部去耦。在線路欠壓時基準電壓很低直到Vcc電壓達標。5PIN HD Bulk 主控制輸出端。BUCK級的PWM控制開關(guān)輸出端。最大占空比被嵌制，因為此輸出相當于一個典型的周期為240ns的關(guān)斷時間狀態(tài)。6PIN LD BUCK級同步開關(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)動能用于驅(qū)動同步整流器開關(guān)。7 PIN Vcc 內(nèi)部高壓起動調(diào)節(jié)器的輸出端，穩(wěn)壓到9V。如果在此端的一個輔助繞組電壓升高超過穩(wěn)壓設(shè)置點，內(nèi)部起動調(diào)節(jié)器將關(guān)斷，以便降低IC的功率損耗

4、。8 PIN PUSH 推挽級柵驅(qū)動的輸出端。推挽級柵驅(qū)動的輸出端。輸出電流峰值為1.5A。9 PIN PULL 推挽級柵驅(qū)動的另一個輸出端。推挽級柵驅(qū)動的另一個輸出端。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50ns的前沿消隱。如果CS端電壓超過0.5V,輸出將進入逐個周期電流限制，如果CS端電壓超過0.6V，輸出將被禁止，并且軟起動開始工作。13 PIN SS 軟起動控制端。一個外部電容和一個10A的內(nèi)部電流源設(shè)置軟起動斜波。如果

5、SS端電壓低于0.45V的關(guān)斷閾值，控制器將進入低功耗狀態(tài)。14 PIN TIME 推挽重迭和死區(qū)時間控制端。一個外部電阻RSET為推挽輸出設(shè)置重迭時間或死區(qū)時間。連接在TIME端和GND端的電阻大小決定重迭時間。連接在TIME端和REF端的電阻大小決定死區(qū)時間。15 PIN RT / SYNC 振蕩器定時電阻端。外接一只電阻設(shè)定工作頻率。并可以接受外同步信號同步工作。16 PIN UVLO 線路欠壓關(guān)斷端子。外接一個電阻分壓器設(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。細節(jié)功能描述如下：LM5041

6、 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個控制輸出包括：Bulk級控制（HD和LD）和推挽級控制輸出（PUSH、PULL）。推挽式輸出在Buck級的一半開關(guān)頻率下以各50%的額定占空比輸出驅(qū)動，并且它有適用于電流反饋型的重迭時間或適用于電壓反饋型的關(guān)斷時間。Buck級需要一個外部驅(qū)部器，而推挽級能直接從內(nèi)部給出柵驅(qū)動輸出。 圖1 LM5041級聯(lián)控制IC的內(nèi)部等效電路LM5041包括一個高壓起動調(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到1

7、MHz，并且它的總傳輸延遲低于100ns。附加的功能包括：軟起動，誤差放大器，精密電壓基準和芯片過熱關(guān)斷。高壓起動調(diào)整器（穩(wěn)壓器）LM5041包括一個高壓起動調(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。當電源使能后，穩(wěn)壓器啟動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。當加到Vcc端上的電壓達到9V 的穩(wěn)壓點并且內(nèi)部基準到5V的穩(wěn)壓點時，控制器的輸出被啟動。Buck級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)

8、用中，變壓器輔助繞組通過一個二極管被連接到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)部高壓起動源。從一個輔助繞組給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Vcc的外部電流愛到限制。在起動調(diào)節(jié)器上的功率損耗不得超過控制器允許的最大功耗。一個外部起動或其它偏置源可以用于替代內(nèi)部的起動調(diào)節(jié)器，替代方法是把Vcc和Vin兩個引腳連接在一起，并且把外部偏置電壓饋送到這兩個引腳上。線路欠

9、壓檢測LM5041包含一個線路欠壓鎖死（UVLO）電路。一個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，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到，控制器所有的功能將都將被禁止。此時，控制器進入電流低于300A的低功耗狀態(tài)。UVLO的窗口通過一個20A的內(nèi)部電流源在UVLO端電壓升起時被激活。閾值將提高UVLO端的電壓升高。當UVLO引腳下降到2.5V以下的閾值時，電流源關(guān)斷使UVLO端電壓下降。UVLO引腳也可用于實現(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^軟起動端SS被禁止。如果SS端被強制低于

10、0.45V時，控制器將進入低功耗狀態(tài)。降壓級控制器輸出LM5041的Buck開關(guān)最大占空比箝制用于確保每個周期能給高邊柵驅(qū)動的bootsrtrap電容重新充電的時間。Buck開關(guān)要確保被關(guān)斷，并且同步開關(guān)開通，且對每個開關(guān)周期至少是250ns。Buck級控制輸出（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級的控制輸出將不執(zhí)行HD低和LD高的命令。推挽輸出級推挽輸出級工作在連續(xù)狀態(tài)一般為各50%占空比。LM5041的一個顯著的特點是能夠準確地調(diào)節(jié)兩推挽輸出的死區(qū)時間或重迭時間。重迭死區(qū)時間大小采用一個電阻接到TIME引腳來控制。TIME端保持電阻一

11、端的電壓在2.5V。另一端接到REF端實現(xiàn)死區(qū)時間的設(shè)置或接到GND端實現(xiàn)重迭時間的控制。TIME端的電流極性由LM5041檢測。重迭或死區(qū)時間的大小可用下面公式計算：Overlap Time(ns) = (3.66*RSET)+7重迭時間為ns，RSET連接到GND，RSET單位為K。Dead Time(ns) = (3.69*RSET)+21死區(qū)時間為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)計要求重迭時間以確保Buck電感電流能持續(xù)工作。電流前饋設(shè)計需要一個死區(qū)時間以確保推挽變壓器從短時導通型到成為一個低阻抗源的結(jié)點時沒有間隔。推挽

12、級輸出在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現(xiàn)最小可控占空比達到最佳狀態(tài)。比較器極性為Comp端0V時將Buck級占空比減到零。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。反相輸入接至FB端子，在非隔離應(yīng)用時，變換器輸出通過一個電阻分壓器直接接到FB端。環(huán)路補償元件接于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

13、阻接于5V基準和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飲食兩個電平的過流保護。如果CS端上的電壓超過0.5V，將Buck級占空比終止，如果CS端電壓沖過0.5V達到0.6V，控制器將立即終止現(xiàn)在的周期，并將軟起動電容放電。推薦用一個小的RC濾波網(wǎng)絡(luò)放在CS端，檢測過流信號，在每個周期開始的前50ns，內(nèi)部一個MOSFET將CS端放電，以減小前沿尖刺，這是Buck級MOSFET開啟時帶來的。LM5041電流檢測及PWM比較器速度很快，會響應(yīng)很短的噪聲脈沖，PCB設(shè)計時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GN

14、D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，電阻要放在推挽的兩MOSFET源極處，但電阻要無感的。當選擇檢測電阻時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。第二級電流檢測閾值為保護功率變換器，當檢測出大電流時，在變換器內(nèi)部最小占空比之下打呃式工作。如果達到第二級保護電平，軟起動電容放電，起動順序重新開始，但此第二級保護電平僅在高的dv/dt在電流檢測電阻上展現(xiàn)時才出現(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級之前動作才會出現(xiàn)，特高的電流檢測dv/dt會在濾波電感飽合或輸出突然短路時出現(xiàn)，CS端上過度濾

15、波或檢測電阻太小或濾波電感沒飽合，都可防止進入第二電平，第一電平電流檢測會連續(xù)地逐個周期地限制，變換器輸出特性將變成一個恒流源。當然，維持過載電流的水平會導致功率級過熱，特別是輸出整流濾波部分會過熱。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，用下式計算RT: Buck級在振蕩頻率下工作，推挽級在1/2的振蕩頻率下工作。LM5041還可以由外時鐘進行同步。外時鐘必須高于RT設(shè)置的自由振蕩頻率。時鐘信號用一個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

16、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。斜率補償PWM比較器將COMP端的電壓與電流采樣信號比較。內(nèi)部誤差放大器的輸出級通常去影響驅(qū)動COMP端。當占空比大于50%時，電流型控制電路受次諧波振蕩的干擾。采用加一個空固定斜波信號斜率補償?shù)诫娏鳈z測斜波即可避免振蕩。LM5041集成此斜率補償來緩沖內(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合成在一起。附加的斜率補償可以由增加電流檢測信號的源阻抗來提供。軟起動和關(guān)斷軟起動特性允許功率轉(zhuǎn)換器逐漸地達到它的初始穩(wěn)定狀態(tài)工作點，從而降低起動應(yīng)力和浪涌。當電源開通時，一個10A的電流從軟起動端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級的最大占空比。充電在由于Vcc欠壓而出現(xiàn)故障時，線路欠壓次級電流值受到限制，輸出驅(qū)動器被禁止，軟起動電容放電。當故障時間很短，工作恢復(fù)正常時，軟起動時序重新開始，Buck級的占空比將逐漸上升。SS端還可作為一個使能輸入端工作。如果SS端電壓被強制降到低于閾值0.45V 時，控制器將進入低功耗工作狀態(tài)。過