新穎電壓型有源箝位正激控制IC-LM5027

摘要：文中詳細(xì)介紹了電壓型有源箝位正激控制IC-LM5027的特點(diǎn)、引腳功能、工作原理及應(yīng)用電路。LM5027包含了很多新技術(shù)特色，除基本的有源箝位正激電路的常規(guī)功能之外，還增加了三個輸出信號之間的埋單延遲調(diào)節(jié)，從而能更好地實(shí)現(xiàn)低EMI和高效率的功率變換。
關(guān)鍵詞：LM5027；脈寬調(diào)制；電壓前饋；打呃

    LM5027脈寬調(diào)制器的主要特點(diǎn)有：電壓型控制，加入電壓前饋功能；內(nèi)部105V的高壓啟動源；可調(diào)節(jié)的欠壓關(guān)鎖；兩種模式的過流保護(hù)方法；可調(diào)節(jié)的伏秒積限制；可調(diào)節(jié)的軟起動時間；可調(diào)節(jié)的同步整流器驅(qū)動的起動和停止；精準(zhǔn)的0．5V過流比較器；電流檢測功能加入前沿消隱；可調(diào)的兩輸出之間的延遲時間，以達(dá)到ZVS開關(guān)。
    LM5027的基本應(yīng)用電路如圖1所示。

1 引腳功能介紹
    LM5027的20個引腳功能如下：
    1 PIN VIN：高壓起動源輸入，輸入工作電壓范圍為13～90V，最大耐壓為105V，LM5007也可以從VCC直接給外偏置源。
    2 PIN RAMP：電壓前饋調(diào)制端，外部從VIN接一RC電路，設(shè)置PWM斜波斜率，在每個周期結(jié)束時放電，如果此端電壓超過2．5V，即限制最大伏秒積到變壓器初級。
    3 PIN TIME3：延遲調(diào)節(jié)，外部接一個電阻，設(shè)置主箝位輸出的重迭延遲，RTIME3電阻接于此端到AGND，設(shè)置OUTA關(guān)斷到OUTB開啟的脈沖延遲。
    4 PIN TIME2：延遲調(diào)節(jié)2，外部接一支電阻設(shè)置OUTSR輸出的重迭延遲，RTIME2接于此端到AGND，設(shè)置OUTA關(guān)斷到OUTSR開啟的脈沖延遲。
    5 PIN TIME1：延遲調(diào)節(jié)1，外部接一支電阻設(shè)置箝位輸出的重迭延遲，RTME1電阻接于此端到AGND，設(shè)置OUTB和OUTSR關(guān)斷到OUTA開啟之間的重迭延遲。
    6 PIN AGND：IC的模擬地，直接接到PGND。
    7 PIN RT：振蕩頻率設(shè)置及外同步輸入，通常內(nèi)部放大器偏置在2V處，外部接一電阻到AGND，設(shè)置振蕩頻率，外部送入高于內(nèi)部振蕩器頻率時即同步到外部頻率。
    8 PIN COMP：接到脈沖寬度調(diào)制器處，外部反饋光耦，直接接在此端，經(jīng)內(nèi)部NPN電流鏡源入電流，PWM占空比在零輸入電流時最大，在1mA電流送入時占空比為0，電流鏡可以改善頻率響應(yīng)．它減少了光耦中光電三極管的AC電壓。
    9 PIN REF：輸出5V的基準(zhǔn)電壓源，最大可供出10mA電流，外接0．1μF電容旁路去耦。
    10 PIN OUTB：輸出驅(qū)動器，外部驅(qū)動箝位MOSFET(P型)的柵，源出漏入電流能力為1A。
    11 PIN OUTA：輸出驅(qū)動器，外部驅(qū)動功率MOSFET (N型)的柵，源出漏入能力為2A。
    12 PIN OUTSR：控制二次惻同步整流的MOSFET的柵，源出漏入電流能力為3A。
    13 PIN VCC：IC起動穩(wěn)壓器的輸出，即內(nèi)部高壓起動源的輸出，起動時為9．5V，正常運(yùn)行時為7．5V，如果外接輔助繞組整流的電壓要略高于此電壓，此時內(nèi)部高壓起動源將關(guān)閉，以減小IC功耗。
    15 PIN CS：電流檢測輸入端，在IC內(nèi)作逐個周期式限流，如果CS端電壓超過500mV，IC輸出驅(qū)動將終止，進(jìn)入逐個周期式限流模式，在CS端電壓降下后100ns主輸出OUTA開關(guān)變?yōu)楦唠娖?，消隱前沿。
    16 PIN SS：軟起動輸入，內(nèi)部一個20μA電流源給此端外部軟啟動電容充電，設(shè)置軟啟動速率。
    17 PIN RES：重新啟動時段。如果逐個周期式限流電平在任何一個周期中達(dá)到，一個22μA電流源流進(jìn)RES電容，如果RES電容電壓充電到1.0V，就開始打嗝模式，SS和SSSR電容即放電，控制器輸出終止RES電容上的電壓在4V和2V之間抖動八次，第八次之后SS端電容被釋放，開始正常的啟動順序。
    18 PIN SSSR：同步整流器輸出的軟起動。一支外部電容和內(nèi)部25μA電流源來設(shè)置同步整流器輸出(OUTSR)的軟起動斜波。
    19 PIN OTP：過熱保護(hù)。OTP比較器用于過熱關(guān)斷保護(hù)，外部接一個NTC熱敏電阻分壓器來設(shè)置關(guān)斷溫度。OTP比較器閾值為1．25V。窗口當(dāng)OTP端電壓超出閾值時，由內(nèi)部電流源20μA流入外部電阻分壓器。
    20 PIN UVLO：路線欠壓鎖定，外部從VIN處接一個電阻分壓器來設(shè)置關(guān)斷點(diǎn)及待機(jī)比較器的電平，VCC和REF兩個穩(wěn)壓器在UVLO達(dá)到0．4V時關(guān)斷，而UVLO為2V時，SS端被釋放，器件重新工作。窗口由內(nèi)部電流源(20μA)和外部分壓器電阻設(shè)置。
2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及功能
2．1 高壓起動源
    LM5027 IC內(nèi)部有一個高壓起動穩(wěn)壓器。它的VIN端可以直接接到線路輸入電壓(100V)穩(wěn)壓器輸出電流限制在55mA，當(dāng)UVLO端電壓超過0.4V時。VCC穩(wěn)壓器使能，接到VCC外部的電容充電，VCC穩(wěn)壓器再提供能量給電壓基準(zhǔn)REF及三個柵驅(qū)動輸出。當(dāng)VCC電壓達(dá)到9.5V時。控制器的輸出使能，內(nèi)部基準(zhǔn)達(dá)到5V穩(wěn)壓點(diǎn)。UVLO端電壓大于2V。OTP電壓大于1.25V，輸出驅(qū)動進(jìn)入正常運(yùn)轉(zhuǎn)，除非UVLO低于2V。OTP端降到1.25V以下。VCC電容值取決于系統(tǒng)設(shè)計和啟動特性，標(biāo)準(zhǔn)值為0．1～100μF。在典型應(yīng)用中變壓器輔助繞組必須能經(jīng)過二極管到VCC的電壓達(dá)到2．5～7．5V。經(jīng)過輔助繞組供電可以改善效率，減少控制IC的功耗。此時高壓起動源關(guān)斷，如果直接使用外部供電源可以將VIN和VCC接在一起。
2．2 線路欠壓檢測器
    LM5027有兩個電平檢測的UVLO電路。當(dāng)UVLO大于0．4．V，但還低于2V時，控制器處于待機(jī)模式。此時VCC和REF兩個穩(wěn)壓器激活，但控制器的輸出還被禁止。這個特點(diǎn)使LM5007用于遙控功能。令UVLO低于2V時，LM5027進(jìn)入軟關(guān)斷程序。0．4V的關(guān)斷比較器有100mV的窗口。當(dāng)VCC和REF輸出超過其給定的欠壓閾值。UVLO端電壓也大于2V。OTP端電壓大于1．25V時，控制器輸出使能。進(jìn)入正常工作。外部電阻分壓器從VIN接到GND，可以用來設(shè)定最小工作電壓。此時的UVLO必須大于2．0V。如果此值滿足，則三個輸出都被禁止。UVL0的窗口由內(nèi)部20μA電流源決定。
2．3 逐個周期式限流
    CS端由變壓器初級電流的代表信號驅(qū)動。如果CS端電壓超過0．5V。電流檢測比較器就會終止三個輸出驅(qū)動脈沖。占空比取決于該比較器，替代了PWM比較器用一個小RC濾波器接到CS端以抑制噪聲。內(nèi)部5Ω的MOSFET在每個周期結(jié)束時，會放掉CS外部電容上的電荷。在OUTA驅(qū)動器開關(guān)為高電平的30ns之前。放電MOSFET的內(nèi)部處于導(dǎo)通狀態(tài)。以消隱電流檢測電路的前沿瞬態(tài)。在每個周期中，CS端放電，消隱前沿尖峰可以減小對濾波的需要，并改善電流檢測的響應(yīng)時間。電流檢測比較器動作非常快。并在噪聲脈沖期間迅速響應(yīng)。
2．4 重新起動時間延遲(打嗝模式)
    LM5027提供一個限流重新起動時段去禁止輸出。并強(qiáng)制其延遲重新起動，如果重復(fù)檢測到了限流條件，將有數(shù)個逐個周期式限限流動作，此時去觸發(fā)重新起動，其采用在RES端放一個電容來實(shí)現(xiàn)，在每個PWM周期內(nèi)，LM5027從RES端或者源出或者漏入電流，如果沒有限流條件檢出。漏入5μA電流將RES端電平拉到GND。如果檢出限流條件，則禁止此5μA漏入電流，而是源出22μA電流使RES端電壓大幅增加。如果RES端電壓達(dá)到1V閾值，就出現(xiàn)下面的重新起動過程：
    ◇SS和SSSR電容全部放電。
    ◇RES 20μA電流源關(guān)斷，5μA電流源開啟。
    ◇RES端電壓允許充到4V。
    ◇當(dāng)RES端電壓達(dá)到4V時，5μA電流源關(guān)斷，5μA電流漏開啟。RES端電容電壓下降到2V。
    ◇RES電容電壓在2V和4V之間往返八次。
    ◇當(dāng)次數(shù)到八次時，RES端電壓拉下，軟起動電容被釋放，開始軟起動程序。SS電容電壓慢慢增加，當(dāng)SS端電壓達(dá)到1V時，PWM比較器將產(chǎn)生第一個窄脈沖在OUTA處。
    ◇當(dāng)SS端電壓達(dá)到4．0V時，SSSR端被釋放，以25μA電流源充電。同步整流器軟起動進(jìn)入運(yùn)轉(zhuǎn)期。
    ◇如果過載條件在重新起動后仍存在。逐個周期式限流又將開始，并增加RES端的電容電壓，重新進(jìn)入打嗝模式。
    ◇如果過載條件在重新起動后，沒有延長，則RES端將幫助以5μA電流漏放電到GND，恢復(fù)正常工作。[!--empirenews.page--]
2．5 軟起動
    軟起動電路允許穩(wěn)壓器逐漸增加輸出電壓一直到穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)。因此減少了起動應(yīng)力和浪涌電流，當(dāng)偏置源給LM5027供電時，SS端電容由內(nèi)部MOSFET放電。當(dāng)UVLO、OTP、VCC和RES端達(dá)到工作閾值后，軟起動電容被釋放。開始以22μA電流源充電。當(dāng)SS端電壓達(dá)到1V時，輸出脈沖命令以慢慢增加占空比的方式給出，SS端電壓最后達(dá)到5V。PWM比較器上的電壓由所需的電壓限制。其由COMP端的反饋環(huán)電壓決定。當(dāng)軟起動電壓達(dá)到4．0V時。SSSR端的電容釋放并以25μA電流源充電。當(dāng)SSSR端電壓達(dá)到大約2．5V時，內(nèi)部同步整流器的PWM電路逐漸增加同步整流器的占空比(OUTSR)。此占空比正比于SSSR端的電壓。延遲的SSSR柵驅(qū)動脈沖直到主電路軟起動完成之后才允許輸出電壓達(dá)到調(diào)整值。這個延遲可以防止同步整流器從輸出端漏進(jìn)電流。
2．6 軟關(guān)斷
    如果UVLO端電壓降到待機(jī)閾值2．0V以下，但還可以高于0．4V的關(guān)短閾值，同步整流的軟起動電容以20μA電流源放電，這樣禁止了同步整流器。在SSSR電容放電到2．0V后，軟起動和同步整流迅速放電到GND電平。終止PWM脈沖于OUTA、OUTB和OUTSR處，PWM脈沖在SSSR電壓減小時停止。如果VCC或REF電壓降到給定電壓以下。即開始軟關(guān)斷程序。
2．7 外部過熱保護(hù)
    在REF、OTP和AGND之間用電阻分壓器設(shè)置一個點(diǎn)，如圖2所示。這即是一種過熱保護(hù)的方法。熱敏電阻NTC放在分壓器的低處。分壓器必須設(shè)計成過熱時在OTP端為1．25V以下。OTP的窗口由內(nèi)部20μA電流源完成。其開或關(guān)都會進(jìn)入外部的分壓器。當(dāng)OTP端電壓超過1．25V時。電流源激活，迅速令OTP端電壓上升。當(dāng)OTP端電壓低于1．25V時。電流源關(guān)斷。會使OTP端電壓迅速下降。當(dāng)降到1．25V以下時。LM5027將通過軟關(guān)斷方式停止工作。

2．8 PWM比較器
    脈寬調(diào)制器比較器比較RAMP端的電壓斜波和環(huán)路反饋的誤差信號。環(huán)路誤差信號從隔離電路反饋接收。其由光耦中的NPN晶體管加一支5K電阻接于5V基準(zhǔn)電壓處取得。在PWM輸入處約1V電平。光耦直接接于REF和COMP之間。因為COMP端為電流鏡輸入?？邕^光耦的檢測器接近恒定。帶寬限制了相位延遲。PWM比較器的極性使之沒有電流進(jìn)入COMP端?？刂破鞔丝淘贠UTA處產(chǎn)生最大占空比。
2．9 前饋斜波
    外部電阻REF和電容CFF接于VIN、AGND間。RAMP端需要建立一個PWM斜波信號，如圖3。信號斜率在RAMP端會產(chǎn)生變化。其正比于輸入電
壓。這種變化的斜率提供了線路前饋信息，可以改善電壓控制型的瞬態(tài)響應(yīng)。RAMP信號與脈寬調(diào)制器比較誤差信號，使導(dǎo)通時間與輸入電壓成反比。穩(wěn)定變壓器的伏秒積比傳統(tǒng)電壓形控制有很大改進(jìn)。結(jié)果反饋環(huán)僅僅需要很小的校正去應(yīng)對大的輸入電壓變化。在每個時鐘周期結(jié)束時，IC內(nèi)一個10Ω的RSDON的小MOSFET使能，去將Gff電容復(fù)位到GND電平。

2．10 伏秒積鉗制
    外部一支電阻REF和一個電容CFF連接于VIN，RAMP和AGND之間。需要建立一個鋸齒調(diào)制斜波信號，見圖3。RAMP的斜率變化正比于輸入電壓，并改變PWM斜波的斜率。其與輸入電壓提供的線路前饋信息成反比，用此改善電壓控制型的瞬態(tài)響應(yīng)。用一個恒定的誤差信號令導(dǎo)通時間的變化與輸入電壓成反比，以此穩(wěn)定變壓器初級的伏秒積。
    伏秒積箝制比較斜波信號和固定的2．5V基準(zhǔn)。合適地選擇RFF和CFF，主開關(guān)的最大導(dǎo)通時間可以按照所需要的區(qū)間來設(shè)置，以便在200k Hz 18V線路電壓時實(shí)現(xiàn)90％的占空比。200kHz頻率及90％占空比需要4．5μs的導(dǎo)通時間。在18V輸入時，伏秒積為81μs(18V×4．5μs)來實(shí)現(xiàn)這個箝制水平。
   
    選擇CFF=4．70pF，則RFF=68．9kΩ。
    推薦電容值，應(yīng)對CFF為100～1000pF。CFF斜波電容在每個周期結(jié)束時由內(nèi)部開關(guān)放電。此開關(guān)可以接到PWM比較器或CS比較器，或者伏秒箝制比較器。[!--empirenews.page--]
2．11 振蕩器及外同步能力
    LM5027的振蕩器頻率由外部電阻設(shè)置。其接于RT端和AGND之間。為了設(shè)置需要的振蕩器頻率。RT電阻用下式計算：
   
    例如要200kHz頻率，則RT=27．4kΩ，RT電阻要緊靠IC。直接接于RT與AGND端。外部電阻的偏差和頻率的偏差必須在電氣特性之內(nèi)。LM50 27可以同步到外部時鐘，加一個窄脈沖到RT端即可。外部時鐘頻率至少要高于自由運(yùn)轉(zhuǎn)頻率10％。如果外時鐘頻率低于RT決定的頻率，LM50 27將不會去同步。外同步脈沖要經(jīng)過一支100pF電容接到RT端，脈寬要15～150ns。當(dāng)同步脈沖傳輸從低電平到高電平時(上升沿)RT端電壓必須超過3．2V。在時鐘信號為低電平時，RT端的電壓將箝在2V，RT端穩(wěn)壓器的內(nèi)阻大約100Ω。RT端的電阻總是要接入的，無論是自由振蕩還是外同步。
2．12 柵驅(qū)動輸出
    LM5027包含三個獨(dú)立的柵驅(qū)動器。OUTA為初級主開關(guān)驅(qū)動器，設(shè)計為驅(qū)動N溝MOSFET的柵，源出漏入電流為2A。箝位驅(qū)動器OUTB設(shè)計為驅(qū)動P溝MOSFET的柵，源出漏人能力為1A。第三個驅(qū)動器為OUTSR，用于驅(qū)動二次側(cè)同步整流的MOSFET。經(jīng)過變壓器或隔離驅(qū)動器。驅(qū)動OUTSR的驅(qū)動器源出漏入能力為3A。
2．13 驅(qū)動延遲時間及調(diào)整
    三個獨(dú)立的時間延遲調(diào)整允許一個大的柔性的死區(qū)給用戶去將系統(tǒng)的效率最佳化。有源箝位輸出(OUTB)與主輸出(OUTA)在一個區(qū)間。有
源箝位的輸出要覆蓋主輸入。覆蓋時間提供死區(qū)給主開關(guān)和P溝箝位開關(guān)，分別在其上升沿和下降沿。上升沿控制由TIME1端設(shè)置，下降沿控制用一個電阻從TIME3端到AGND設(shè)置。
    PWM的上升沿與OUTB的上升沿同時動作，OUTSR輸出的下降沿與之沒有延遲。OUTSR的上升沿在主開關(guān)(OUTA)關(guān)斷之后用電阻從TIME2端到AGND設(shè)置。
2．14 過熱保護(hù)
    內(nèi)部熱關(guān)斷電路由集成電路在最大結(jié)溫超出時提供保護(hù)。當(dāng)芯片溫度超過165℃時，控制器強(qiáng)制進(jìn)入低功耗待機(jī)狀態(tài)，關(guān)斷三個輸出驅(qū)動。偏置源VCC和REF也被禁止。過熱保護(hù)特色可以防止芯片毀壞。在熱關(guān)斷后重新起動時，軟啟動電容完全放電，控制器在結(jié)溫降到145℃以下時按順序重新起動。
2．15 VIN
    加到VIN端的電壓通常與系統(tǒng)電壓及變壓器初級的電壓是相同的，其允許的變化范圍是13V-90V，瞬間能承受150V。進(jìn)入VIN端的電流取決于VCC驅(qū)動的電容負(fù)載和開關(guān)頻率。如果VIN進(jìn)入的電流超出其封裝能力，則應(yīng)該采用外部電壓加到VCC端，見圖4，去禁止內(nèi)部起動源，VCC降至7．5V，如果外加電壓，則為8～15V。VIN到VCC的串聯(lián)穩(wěn)壓器包含VIN到VCC之間的二極管，在正常工作時，此二極管不會正向偏置。VCC電壓絕對不能超過VIN電壓。

    在輸入電壓大于100V的應(yīng)用的情況下，由外部電源給IC供電，將VIN與VCC端接在一起，如圖5所示。工作電壓為10～15V，推薦用13V，這樣可以關(guān)斷內(nèi)部的高壓起動源。

2．16 UVLO
    欠壓閂鎖閾值在內(nèi)部UVLO端設(shè)置在2V，外部用兩支電阻組成分壓器接于UVLO端，如圖6所示。

    LM5027的VPWR加UVLO端電壓超過2V時，LM5 027才能工作。低于此值時，內(nèi)部20μA電流漏使能，減小UVLO端電壓，使IC閂鎖。UVLO電壓超過2V時，電流漏關(guān)閉，R1和R2電阻值推薦如下：
   
   
    此處，VHYS為UVLO在VPWR電壓下的窗口，VPWR為開啟電壓，如果LM5027在VPWR達(dá)到34V時使能，窗口為1．8V，則R1為90kΩ，R2計算出為6．19kΩ。LM5027將在UVLO達(dá)0．4V時關(guān)斷，外部加一支NPN晶體管可以控制IC的關(guān)斷。[!--empirenews.page--]
2．17 電壓反饋
    COMP端是用來接收光耦反饋的，典型電路如圖7所示。光耦的光電三極管接于REF和COMP之間，當(dāng)輸出電壓低于穩(wěn)壓值時，沒有電流流入COMP端，LN5027即工作在最大占空比，反饋用的誤差放大器要用合適頻率的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，放大器的輸出去驅(qū)動光耦的發(fā)光二極管，在LM5027內(nèi)經(jīng)過電流鏡將信號送入IC內(nèi)部。

2．18 電流檢測
    CS端接收初級電流信號，此電流信號可以經(jīng)過電流互感器或經(jīng)過采樣電阻送入，如圖8，圖9所示。它們建立起電壓斜坡經(jīng)RF和CF濾波后送入LM5027的CS端。當(dāng)過流條件出現(xiàn)時，CS端電壓要達(dá)到0．5V，這時LM5027會立即終止輸出。在RES達(dá)到1V時，軟起動電容放電，LM5027進(jìn)入打呃工作模式，打呃時間由RES端電容決定。

2．19 打呃模式限流
    在打呃模式下的工作時間要在RES端達(dá)到1．0V下，tCS為：
   
    如果CRES=0．047μF，LCS大約為2．14ms，RES端電壓達(dá)到1V時，22μA電流源關(guān)斷，一個5mA電流源開啟，打呃模式時間為：
   
    當(dāng)V為2．0V CRES=0．047μF時，打呃時間為179ms，在打呃模式關(guān)斷后，RES端電壓拉低，軟起動電容被釋放，可以重新開始軟起動，軟起動時間trestart為：