新颖电压型有源箝位正激控制IC-LM5027

2011-11-02 11:31:34来源: 互联网
文中详细介绍了电压型有源箝位正激控制IC-LM5027的特点、引脚功能、工作原理及应用电路。LM5027包含了很多新技术特色,除基本的有源箝位正激电路的常规功能之外,还增加了三个输出信号之间的埋单延迟调节,从而能更好地实现低EMI和高效率的功率变换。

  LM5027脉宽调制器的主要特点有:电压型控制,加入电压前馈功能;内部105V的高压启动源;可调节的欠压关锁;两种模式的过流保护方法;可调节的伏秒积限制;可调节的软起动时间;可调节的同步整流器驱动的起动和停止;精准的0.5V过流比较器;电流检测功能加入前沿消隐;可调的两输出之间的延迟时间,以达到ZVS开关。

  LM5027的基本应用电路如图1所示。

  

 

  1 引脚功能介绍

  LM5027的20个引脚功能如下:

  1 PIN VIN:高压起动源输入,输入工作电压范围为13~90V,最大耐压为105V,LM5007也可以从VCC直接给外偏置源。

  2 PIN RAMP:电压前馈调制端,外部从VIN接一RC电路,设置PWM斜波斜率,在每个周期结束时放电,如果此端电压超过2.5V,即限制最大伏秒积到变压器初级。

  3 PIN TIME3:延迟调节,外部接一个电阻,设置主箝位输出的重迭延迟,RTIME3电阻接于此端到AGND,设置OUTA关断到OUTB开启的脉冲延迟。

  4 PIN TIME2:延迟调节2,外部接一支电阻设置OUTSR输出的重迭延迟,RTIME2接于此端到AGND,设置OUTA关断到OUTSR开启的脉冲延迟。

  5 PIN TIME1:延迟调节1,外部接一支电阻设置箝位输出的重迭延迟,RTME1电阻接于此端到AGND,设置OUTB和OUTSR关断到OUTA开启之间的重迭延迟。

  6 PIN AGND:IC的模拟地,直接接到PGND。

  7 PIN RT:振荡频率设置及外同步输入,通常内部放大器偏置在2V处,外部接一电阻到AGND,设置振荡频率,外部送入高于内部振荡器频率时即同步到外部频率。

  8 PIN COMP:接到脉冲宽度调制器处,外部反馈光耦,直接接在此端,经内部NPN电流镜源入电流,PWM占空比在零输入电流时最大,在1mA电流送入时占空比为0,电流镜可以改善频率响应.它减少了光耦中光电三极管的AC电压。

  9 PIN REF:输出5V的基准电压源,最大可供出10mA电流,外接0.1μF电容旁路去耦。

  10 PIN OUTB:输出驱动器,外部驱动箝位MOSFET(P型)的,源出漏入电流能力为1A。

  11 PIN OUTA:输出驱动器,外部驱动功率MOSFET (N型)的栅,源出漏入能力为2A。

  12 PIN OUTSR:控制二次恻同步整流的MOSFET的栅,源出漏入电流能力为3A。

  13 PIN VCC:IC起动稳压器的输出,即内部高压起动源的输出,起动时为9.5V,正常运行时为7.5V,如果外接辅助绕组整流的电压要略高于此电压,此时内部高压起动源将关闭,以减小IC功耗

  15 PIN CS:电流检测输入端,在IC内作逐个周期式限流,如果CS端电压超过500mV,IC输出驱动将终止,进入逐个周期式限流模式,在CS端电压降下后100ns主输出OUTA开关变为高电平,消隐前沿。

  16 PIN SS:软起动输入,内部一个20μA电流源给此端外部软启动电容充电,设置软启动速率。

  17 PIN RES:重新启动时段。如果逐个周期式限流电平在任何一个周期中达到,一个22μA电流源流进RES电容,如果RES电容电压充电到1.0V,就开始打嗝模式,SS和SSSR电容即放电,控制器输出终止RES电容上的电压在4V和2V之间抖动八次,第八次之后SS端电容被释放,开始正常的启动顺序。

  18 PIN SSSR:同步整流器输出的软起动。一支外部电容和内部25μA电流源来设置同步整流器输出(OUTSR)的软起动斜波。

  19 PIN OTP:过热保护。OTP比较器用于过热关断保护,外部接一个NTC热敏电阻分压器来设置关断温度。OTP比较器阈值为1.25V。窗口当OTP端电压超出阈值时,由内部电流源20μA流入外部电阻分压器。

  20 PIN UVLO:路线欠压锁定,外部从VIN处接一个电阻分压器来设置关断点及待机比较器的电平,VCC和REF两个稳压器在UVLO达到0.4V时关断,而UVLO为2V时,SS端被释放,器件重新工作。窗口由内部电流源(20μA)和外部分压器电阻设置。

  2 内部结构及功能

  2.1 高压起动源

  LM5027 IC内部有一个高压起动稳压器。它的VIN端可以直接接到线路输入电压(100V)稳压器输出电流限制在55mA,当UVLO端电压超过0.4V时。VCC稳压器使能,接到VCC外部的电容充电,VCC稳压器再提供能量给电压基准REF及三个栅驱动输出。当VCC电压达到9.5V时。控制器的输出使能,内部基准达到5V稳压点。UVLO端电压大于2V。OTP电压大于1.25V,输出驱动进入正常运转,除非UVLO低于2V。OTP端降到1.25V以下。VCC电容值取决于系统设计和启动特性,标准值为0.1~100μF。在典型应用中变压器辅助绕组必须能经过二极管到VCC的电压达到2.5~7.5V。经过辅助绕组供电可以改善效率,减少控制IC的功耗。此时高压起动源关断,如果直接使用外部供电源可以将VIN和VCC接在一起。

  2.2 线路欠压检测器

  LM5027有两个电平检测的UVLO电路。当UVLO大于0.4.V,但还低于2V时,控制器处于待机模式。此时VCC和REF两个稳压器激活,但控制器的输出还被禁止。这个特点使LM5007用于遥控功能。令UVLO低于2V时,LM5027进入软关断程序。0.4V的关断比较器有100mV的窗口。当VCC和REF输出超过其给定的欠压阈值。UVLO端电压也大于2V。OTP端电压大于1.25V时,控制器输出使能。进入正常工作。外部电阻分压器从VIN接到GND,可以用来设定最小工作电压。此时的UVLO必须大于2.0V。如果此值满足,则三个输出都被禁止。UVL0的窗口由内部20μA电流源决定。

  2.3 逐个周期式限流

  CS端由变压器初级电流的代表信号驱动。如果CS端电压超过0.5V。电流检测比较器就会终止三个输出驱动脉冲。占空比取决于该比较器,替代了PWM比较器用一个小RC滤波器接到CS端以抑制噪声。内部5Ω的MOSFET在每个周期结束时,会放掉CS外部电容上的电荷。在OUTA驱动器开关为高电平的30ns之前。放电MOSFET的内部处于导通状态。以消隐电流检测电路的前沿瞬态。在每个周期中,CS端放电,消隐前沿尖峰可以减小对滤波的需要,并改善电流检测的响应时间。电流检测比较器动作非常快。并在噪声脉冲期间迅速响应。

  LM5027提供一个限流重新起动时段去禁止输出。并强制其延迟重新起动,如果重复检测到了限流条件,将有数个逐个周期式限限流动作,此时去触发重新起动,其采用在RES端放一个电容来实现,在每个PWM周期内,LM5027从RES端或者源出或者漏入电流,如果没有限流条件检出。漏入5μA电流将RES端电平拉到GND。如果检出限流条件,则禁止此5μA漏入电流,而是源出22μA电流使RES端电压大幅增加。如果RES端电压达到1V阈值,就出现下面的重新起动过程:

  ◇SS和SSSR电容全部放电。

  ◇RES 20μA电流源关断,5μA电流源开启。

  ◇RES端电压允许充到4V。

  ◇当RES端电压达到4V时,5μA电流源关断,5μA电流漏开启。RES端电容电压下降到2V。

  ◇RES电容电压在2V和4V之间往返八次。

  ◇当次数到八次时,RES端电压拉下,软起动电容被释放,开始软起动程序。SS电容电压慢慢增加,当SS端电压达到1V时,PWM比较器将产生第一个窄脉冲在OUTA处。

  ◇当SS端电压达到4.0V时,SSSR端被释放,以25μA电流源充电。同步整流器软起动进入运转期。

  ◇如果过载条件在重新起动后仍存在。逐个周期式限流又将开始,并增加RES端的电容电压,重新进入打嗝模式。

  ◇如果过载条件在重新起动后,没有延长,则RES端将帮助以5μA电流漏放电到GND,恢复正常工作。

  2.5 软起动

  软起动电路允许稳压器逐渐增加输出电压一直到稳态工作点。因此减少了起动应力和浪涌电流,当偏置源给LM5027供电时,SS端电容由内部MOSFET放电。当UVLO、OTP、VCC和RES端达到工作阈值后,软起动电容被释放。开始以22μA电流源充电。当SS端电压达到1V时,输出脉冲命令以慢慢增加占空比的方式给出,SS端电压最后达到5V。PWM比较器上的电压由所需的电压限制。其由COMP端的反馈环电压决定。当软起动电压达到4.0V时。SSSR端的电容释放并以25μA电流源充电。当SSSR端电压达到大约2.5V时,内部同步整流器的PWM电路逐渐增加同步整流器的占空比(OUTSR)。此占空比正比于SSSR端的电压。延迟的SSSR栅驱动脉冲直到主电路软起动完成之后才允许输出电压达到调整值。这个延迟可以防止同步整流器从输出端漏进电流。

  2.6 软关断

  如果UVLO端电压降到待机阈值2.0V以下,但还可以高于0.4V的关短阈值,同步整流的软起动电容以20μA电流源放电,这样禁止了同步整流器。在SSSR电容放电到2.0V后,软起动和同步整流迅速放电到GND电平。终止PWM脉冲于OUTA、OUTB和OUTSR处,PWM脉冲在SSSR电压减小时停止。如果VCC或REF电压降到给定电压以下。即开始软关断程序。

  2.7 外部过热保护

  在REF、OTP和AGND之间用电阻分压器设置一个点,如图2所示。这即是一种过热保护的方法。热敏电阻NTC放在分压器的低处。分压器必须设计成过热时在OTP端为1.25V以下。OTP的窗口由内部20μA电流源完成。其开或关都会进入外部的分压器。当OTP端电压超过1.25V时。电流源激活,迅速令OTP端电压上升。当OTP端电压低于1.25V时。电流源关断。会使OTP端电压迅速下降。当降到1.25V以下时。LM5027将通过软关断方式停止工作。

  

b.jpg

 

  2.8 PWM比较器

  脉宽调制器比较器比较RAMP端的电压斜波和环路反馈的误差信号。环路误差信号从隔离电路反馈接收。其由光耦中的NPN晶体管加一支5K电阻接于5V基准电压处取得。在PWM输入处约1V电平。光耦直接接于REF和COMP之间。因为COMP端为电流镜输入。跨过光耦的检测器接近恒定。带宽限制了相位延迟。PWM比较器的极性使之没有电流进入COMP端。控制器此刻在OUTA处产生最大占空比。

  2.9 前馈斜波

  外部电阻REF和电容CFF接于VIN、AGND间。RAMP端需要建立一个PWM斜波信号,如图3。信号斜率在RAMP端会产生变化。其正比于输入电

  压。这种变化的斜率提供了线路前馈信息,可以改善电压控制型的瞬态响应。RAMP信号与脉宽调制器比较误差信号,使导通时间与输入电压成反比。稳定变压器的伏秒积比传统电压形控制有很大改进。结果反馈环仅仅需要很小的校正去应对大的输入电压变化。在每个时钟周期结束时,IC内一个10Ω的RSDON的小MOSFET使能,去将Gff电容复位到GND电平。

  

c.jpg

 

  2.10 伏秒积钳制

  外部一支电阻REF和一个电容CFF连接于VIN,RAMP和AGND之间。需要建立一个锯齿调制斜波信号,见图3。RAMP的斜率变化正比于输入电压,并改变PWM斜波的斜率。其与输入电压提供的线路前馈信息成反比,用此改善电压控制型的瞬态响应。用一个恒定的误差信号令导通时间的变化与输入电压成反比,以此稳定变压器初级的伏秒积。

  伏秒积箝制比较斜波信号和固定的2.5V基准。合适地选择RFF和CFF,主开关的最大导通时间可以按照所需要的区间来设置,以便在200k Hz 18V线路电压时实现90%的占空比。200kHz频率及90%占空比需要4.5μs的导通时间。在18V输入时,伏秒积为81μs(18V×4.5μs)来实现这个箝制水平。

  

d.jpg

 

  选择CFF=4.70pF,则RFF=68.9kΩ。

  推荐电容值,应对CFF为100~1000pF。CFF斜波电容在每个周期结束时由内部开关放电。此开关可以接到PWM比较器或CS比较器,或者伏秒箝制比较器。

  2.11 振荡器及外同步能力

  LM5027的振荡器频率由外部电阻设置。其接于RT端和AGND之间。为了设置需要的振荡器频率。RT电阻用下式计算:

  

e.jpg

 

  例如要200kHz频率,则RT=27.4kΩ,RT电阻要紧靠IC。直接接于RT与AGND端。外部电阻的偏差和频率的偏差必须在电气特性之内。LM50 27可以同步到外部时钟,加一个窄脉冲到RT端即可。外部时钟频率至少要高于自由运转频率10%。如果外时钟频率低于RT决定的频率,LM50 27将不会去同步。外同步脉冲要经过一支100pF电容接到RT端,脉宽要15~150ns。当同步脉冲传输从低电平到高电平时(上升沿)RT端电压必须超过3.2V。在时钟信号为低电平时,RT端的电压将箝在2V,RT端稳压器的内阻大约100Ω。RT端的电阻总是要接入的,无论是自由振荡还是外同步。

关键字:电压型  有源箝位  正激控制  LM5027

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/1102/article_12796.html
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