电压模式有源钳位控制器LM5027

2019-01-28作者：李正整理2966评论

概述：LM5027是美国德州仪器（TI）公司出品的一款脉宽调制器。它具备电压型控制，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采用20引脚HTSSOP和24引脚WQFN封装工艺。

一、LM5027引脚功能

二、LM5027内部方框图

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、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。
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。
4、重新起动时间延迟(打嗝模式)
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。
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。
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。
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。

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。
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。

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。

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。
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：

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。

12、栅驱动输出
LM5027包含三个独立的栅驱动器。OUTA为初级主开关驱动器，设计为驱动N沟MOSFET的栅，源出漏入电流为2A。箝位驱动器OUTB设计为驱动P沟MOSFET的栅，源出漏人能力为1A。第三个驱动器为OUTSR，用于驱动二次侧同步整流的MOSFET。经过变压器或隔离驱动器。驱动OUTSR的驱动器源出漏入能力为3A。
13、驱动延迟时间及调整
三个独立的时间延迟调整允许一个大的柔性的死区给用户去将系统的效率最佳化。有源箝位输出(OUTB)与主输出(OUTA)在一个区间。有
源箝位的输出要覆盖主输入。覆盖时间提供死区给主开关和P沟箝位开关，分别在其上升沿和下降沿。上升沿控制由TIME1端设置，下降沿控制用一个电阻从TIME3端到AGND设置。
PWM的上升沿与OUTB的上升沿同时动作，OUTSR输出的下降沿与之没有延迟。OUTSR的上升沿在主开关(OUTA)关断之后用电阻从TIME2端到AGND设置。
14、过热保护
内部热关断电路由集成电路在最大结温超出时提供保护。当芯片温度超过165℃时，控制器强制进入低功耗待机状态，关断三个输出驱动。偏置源VCC和REF也被禁止。过热保护特色可以防止芯片毁坏。在热关断后重新起动时，软启动电容完全放电，控制器在结温降到145℃以下时按顺序重新起动。
15、VIN
加到VIN端的电压通常与系统电压及变压器初级的电压是相同的，其允许的变化范围是13V-90V，瞬间能承受150V。进入VIN端的电流取决于VCC驱动的电容负载和开关频率。如果VIN进入的电流超出其封装能力，则应该采用外部电压加到VCC端，见图4，去禁止内部起动源，VCC降至7.5V，如果外加电压，则为8～15V。VIN到VCC的串联稳压器包含VIN到VCC之间的二极管，在正常工作时，此二极管不会正向偏置。VCC电压绝对不能超过VIN电压。

在输入电压大于100V的应用的情况下，由外部电源给IC供电，将VIN与VCC端接在一起，如图5所示。工作电压为10～15V，推荐用13V，这样可以关断内部的高压起动源。

16、 UVLO
欠压闩锁阈值在内部UVLO端设置在2V，外部用两支电阻组成分压器接于UVLO端，如图6所示。

LM5027的VPWR加UVLO端电压超过2V时，LM5 027才能工作。低于此值时，内部20μA电流漏使能，减小UVLO端电压，使IC闩锁。UVLO电压超过2V时，电流漏关闭，R1和R2电阻值推荐如下：

此处，VHYS为UVLO在VPWR电压下的窗口，VPWR为开启电压，如果LM5027在VPWR达到34V时使能，窗口为1．8V，则R1为90kΩ，R2计算出为6．19kΩ。LM5027将在UVLO达0．4V时关断，外部加一支NPN晶体管可以控制IC的关断。

17、电压反馈
COMP端是用来接收光耦反馈的，典型电路如图7所示。光耦的光电三极管接于REF和COMP之间，当输出电压低于稳压值时，没有电流流入COMP端，LN5027即工作在最大占空比，反馈用的误差放大器要用合适频率的补偿网络，放大器的输出去驱动光耦的发光二极管，在LM5027内经过电流镜将信号送入IC内部。

18、电流检测
CS端接收初级电流信号，此电流信号可以经过电流互感器或经过采样电阻送入，如图8，图9所示。它们建立起电压斜坡经RF和CF滤波后送入LM5027的CS端。当过流条件出现时，CS端电压要达到0．5V，这时LM5027会立即终止输出。在RES达到1V时，软起动电容放电，LM5027进入打呃工作模式，打呃时间由RES端电容决定。