LM有效钳位PWM控制器及其应用Word文档下载推荐.docx
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◆可编程软启动
◆单电阻的可编程振荡器
◆振荡器UP/DOWN同步性能
2、LM5025的引脚说明
LM5025的外引脚图如图1所示。
LM5025的外引脚功能如表1所示
表1 LM5025的外引脚功能说明
3、LM5025的框图说明
LM5025的PWM控制器包含了分布式电源结构中有效钳位/重置技术所需的所有性能。
该装置即可以控制P沟钳位开关,又可以控制N沟钳位开关。
LM5025的结构框图如图2所示,图2中有两个控制输出,主电源开关控制(OUT_A)和有效钳位开关控制(OUT_B)。
有效钳位输出被配置用于P沟开关应用的重迭时间或用于N沟应用的死区时间,两个内部复合门驱动器并联MOS和双极装置,提供较好的门驱动特性。
这个控制器可以高速运行,内部振荡频率可高达1MHz,整个PWM及电流传输时延低于100ns。
LM5025中有一个高压起动调节器,其工作电压超出输入电压的范围(13V~90V)。
另外还有欠压锁定、软启动、振荡器UP/DOWN同步、精度参考及热保护等性能。
图2 LM5025内部结构框图
三、LM5025的典型应用电路
图3为LM5025用于正激转换器的简化电路图。
图3 正激转换器的简化电路
图4为输入38~76V输出3.3V,30A的电源应用电路
四、结语
LM5025具有有效钳位/重置技术,这种新器件比通常正激调整器有更高的效率和更大的功率密度。
LM5025采用National最新高压100V精密模拟双极CMOS-DMOS生产技术,从而降低了PCB面积,使得电源设计灵活、可靠,且其体积小,成本低。
在通信、汽车电子、分布式和工业电源系统中有着广阔的应用前景。
基于LM5025的大功率有源箝位逆变电源
∙时间:
2007-11-109:
54:
30 来源:
中国电力网【大
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1 引言
正激变换器由于拓扑的简单性,被广泛的应用在电源行业,但是变压器开关关断时需要磁复位【1】。
一般都是用第三复位绕组、RCD箝位电路以及LCD缓冲器等,但是由于这几种复位方式都有其自身的缺点导致正激变换器不适用于大功率和高频场合。
和这些传统的复位方式相比,有源箝位有许多优点:
①变压器对称双向磁化,工作在B-H曲线的第一和第三象限,变压器得到充分利用;
②箝位开关管是零电压开关,主开关管虽然不容易实现零电压开关,但是由于有箝位装置和缓冲电容使得其开通与关断时的电压应力大大减小;
③励磁能量和漏感能量全部回馈电网,占空比可以大于0.5。
以前,由于有源箝位专用IC较少,实现起来比较困难,限制了有源箝位的广泛应用。
近年有源箝位与同步整流的结合,更是大大促进了有源箝位在低电压输出场合的应用。
随着国际上相关专利的到期以及专用IC的发展,有源箝位的技术必将得到越来越广泛的应用。
本文在此基础上,利用NS最新推出的有源箝位专用芯片LM5025研制了一台单相220V输入,输出为24V/120A的大功率逆变电源。
2 有源箝位正激变换器工作原理
为了方便分析,做如下假设:
Lf足够大,对负载可认为是恒流源;
所有的半导体器件都是理想器件;
变压器是变比为n的理想变压器;
主开关管S1只有漏源极间的电容C1,其他寄生参数不考虑;
箝位开关管仅有反并二极管,其他寄生参数不考虑;
箝位电容Cc足够大箝位电压基本不变,原理图如图1所示。
下面分为10个工作区间分别论述,各区间工作波形如图2所示。
t0-t1:
t0时刻,S1导通,它是硬开通,此时D3和D4同时导通,ip快速上升。
t1-t2:
t1时刻,D4关断,ip以一个缓坡上上升。
此时箝位管漏源极间电压U-S2为箝位电压Uin+Ucc。
t2-t3:
t2时刻,S1关断,由于有C1的存在,主开关管S1漏源极间电压U-S1缓缓上升,可以减轻S1关断时的电压应力;
同时U-S2就在缓缓下降,由于变压器原边电压还处在正向状态,故ip仍在缓缓上升。
t3-t4:
t3时刻,U-S1升至Uin,变压器开始承受反向电压,副边D3和D4同时导通,ip开始快速下降,U-S1继续上升。
t4-t5:
t4时刻,U-S1升至箝位电压Uin+Ucc,二极管D2开始导通给箝位电容Cc充电,此时箝位开关管S2漏源极间电压为零。
t5-t6:
t5时刻,S2零电压开通,但是由于此时电流方向仍是给Cc充电,故S2中没有电流流过。
t6-t7:
t6时刻,副边反向电压致使D3完全关断,副边电流依靠D4续流;
原边电流ip以更加缓慢的速度减小。
t7-t8:
t7时刻,原边电流降为零,由于箝位电压高于Uin电流开始反向缓缓增加;
这些电流全部来自箝位电容,由于Cc足够大,可以认为箝位电压基本不变。
t8-t9:
t8时刻,S2关断,icc变为零,原边电流通过抽取C1维持,由于有缓冲电容C1的存在且此时电流很小,故箝位开关管S2是零电压关断。
t9-t10:
t9时刻,主开关管S1漏源极间电压降为Uin,变压器开始承受零电压,D3和D4同时导通;
如果谐振参数调整合适也可以让S1实现零电压开通,从t10时刻S1导通开始进入下一个循环。
3 主电路参数设计
3.1最大占空比的确定
由变压器的伏秒积平衡原理可知
为使箝位电压不是太高,令
则最大占空比Dmax=0.6
UCC=D*Uin/(1-D)
3.2功率变压器设计
由于有源箝位变压器的激磁电压是双向矩形脉冲,且其工作于B-H曲线的一三象限,磁感应变化量△B=2Bm,所以其铁心的利用率高【2】。
下面基于AP法来设计有源箝位逆变电源的变压器,选用2KB系列EE型铁氧体磁芯,其饱和磁通密度Bs=510mT,剩余磁通密度Br约为110mT。
实际工作磁感应强度Bm=1/3Bs=170mT,导线电流密度J取300A/cm2,窗口使用系数Ko取0.4,波形系数Kf取4(按照方波取),频率fs=25KHz,输入电压为300±
40V,最大占空比为0.6,变压器变比为5,实际变压器
取0.8,把这些参数带入公式
(1)、
(2)计算后与我们实际得视在功率
然后查表选择EE110磁芯,其
完全满足要求。
下面来计算初级线圈匝数N1:
4 控制电路设计
本次设计采用了NS公司最新推出的电压模式的有源箝位专用芯片LM5025,其输入工作电压从13V到100V,由内部偏压调整器取代了外部偏压调整器,用户可编程振荡器频率可达1MHz,独特的栅极驱动技术使得驱动电流可达3A,可以直接驱动大功率的MOSFET。
LM5025还带有可调滞后的用户编程的欠压锁定电路和双模式过流保护电路,同时还有变压器最大伏秒积限制和振荡器同步性能【3】。
LM5025的频率设定是依靠外部电阻Rt,
,F就是我们要设定的频率,单位是KHz,Rt的单位是
;
LM5025还有信号同步功能,外部时钟信号最低可以比内部振荡器低20%,最高没有限制;
如果将Rt接至REF脚,则内部振荡器完全不起作用,同步时钟信号没有限制,输出完全由外部时钟控制;
若不需外部同步的话要将SYNC接地,防止外部干扰信号。
LM5025既可以用于N沟道有源箝位也可以用于P沟道有源箝位,当用于P沟道时是要进行重迭时间设定,此时Rset要接
当用于N沟道时是要进行死区时间设定,此时Rset要接REF,
其中的Rset单位都是
。
LM5025还有欠压锁定功能,把Uin经分压以后接至UVLO脚,保证在输入电压允许范围内UVLO脚的电压都大于2.5V,一旦此脚电压低于2.5V,LM5025锁定,处于待命状态,因而也可以通过UVLO脚实现对变换器的远程关断/开通控制。
LM5025继承了UCC3580等有源箝位控制芯片的变压器最大伏秒积限制功能。
也可以用来限制最大占空比,当Uin通过Rff给Cff充电达到内部参考电压2.5V时,将会关断主开关管,Cff内的电荷在Ton结束时或其达到2.5V时被内部的FET放掉,哪一个事件先发生就以哪一个为准。
其中关系为
在确定了Tonmax和Uin以后,选定一个Cff,就可以求出Rff,Cff的取值范围一般在100pF到1000pF之间。
LM5025具有两种电流保护模式CS1和CS2,一旦通过电流传感器反馈在CS1脚电压超过0.25V,控制器将会停止当前的驱动信号(也就是逐周期电流保护模式);
若是反馈到CS2脚的电压超过0.25V,控制器也会停止当前的驱动信号,并且给软启动电容Css放电至零,之后限制充电电流为1uA,在Css充电到大约1V时开始输出第一个触发脉冲,再然后充电电流恢复到20uA(正常充电电流),这也就是所谓的打嗝模式,一般在变换器严重过流时使用[4]。
依据LM5025的这些特性我们设计了如图3所示的控制电路。
图3有源箝位控制电路
5 仿真与实验
在理论分析以后我们用仿真软件对主电路做了仿真,又通过试验验证了理论的正确性。
仿真和试验的条件是:
单相220V输入整流滤波,主开关管和辅开关管都是G40N150D,箝位电容5uF,工作频率25KHz,占空比0.4。
仿真及实测波形如图4所示:
(a)仿真原边电流ip和辅管驱动波形(b)仿真辅管实现零电压波形
(c)仿真主开关管漏源极间波形(d)实测辅管实现零电压波形
(e)实测原边电流ip波形 (f)实测主开关管漏源极间波形
图4 仿真和实测波形
6 结论
(1)对有源箝位电路工作原理和波形进行了分析,并通过软件仿真进行了理论验证;
(2)分析了有源箝位专用控制芯片LM5025特性和功能,并在此基础上设计了基于LM5025的控制系统;
(3)通过试验验证了有源箝位在大功率逆变电源上应用的可行性,并给出了实测波形,由实测波形可以看出,主开关管漏源极间电压得到有效箝位,辅开关管实现了零电压开关。
参考文献
[1]彭国平等.有源箝位正激变换器的分析与设计[J].电工技术杂志,2003(10):
29-33
[2]李启明,严仰光.正激变换器脉冲变压器的优化设计[J].南京航空航天大学学报,2001(4):
372-374
[3]马国胜.LM5025有效钳位PWM控制器及其应用[J].电源世界,2005
(2):
47-50
[4]NationalSemiconductor公司产品资料.
本文介绍一款专用电压模式有源钳位变换控制器LM5025,该芯片功能齐全,具有完善的保护电路。
文中详细介绍了LM5025的特点、功能,给出了其典型应用电路。
叙
词:
有源钳位PWM控制器电压模式
Abstract:
AuniquePWMcontrollerLM5025designedforActiveClampis
introducedinthispaper.LM5025haveadditionalfeaturesinclude:
UVLO,softstart,
oscillatorUP/DOWNsynccapabilityandthermalshutdown.Typicalapplicationcircuit
isrecommended.Keywords:
ActiveClampPWMControllerVoltageMode
一、引言
LM5025是一款有源钳位专用的PWM变换器,其内部驱动器可驱动P沟道或N沟道钳位开关。
与传统的绕组或RDC的钳位技术相比,有源钳位技术具有效率高、功率密度高的特点。
LM5025有两路控制输出:
主功率驱动(OUT_A)输出和有源钳位驱动(OUT_B)输出。
有源钳位输出可以设定重叠时间(P沟道开关管)或死区时间(N沟道开关管)。
两路驱动输出具有良好的驱动性能,即可驱动MOS管,也可驱动双极晶体管。
LM5025的振荡器频率可达1MHz,PWM和电流采样传输的延迟时间小于100ns。
LM5025内部有一个高电压启动调节器,使电源有一个13V~90V的宽输入范围。
LM5025还有输入欠压锁定、软启动、振荡器同步及热保护等功能。
二、引脚功能
LM5025的管脚排列如图1所示。
各引脚功能如下:
VIN:
启动稳压器输入端。
RAMP:
斜坡信号设置端。
VIN管脚外接RC设置斜坡斜率。
该脚内接放电MOS管,由内部时钟或伏秒积钳位比较器控制MOS管的通断。
CS1:
逐脉冲限流采样端。
CS1端电压高于0.25V时,进入逐脉冲限流。
CS2:
软启动电流采样端。
CS2端电压高于0.25V时,输出关断并进入软启动状态。
TIME:
输出重叠或死区调节端。
该脚外接电阻RSET设置有源钳位的重叠或死区时间。
RSET若连接在TIME和GND之间将产生有重叠的同相OUT-A和OUT-B,若连接在TIME和REF之间将产生有死区的反相OUT-A和OUT-B。
REF:
内部5V精密基准输出端。
VCC:
内部启动稳压管输出端。
VCC电压值为7.6V。
OUT-A:
主驱动输出端。
OUT-B:
有源钳位驱动输出端。
PGND:
功率地。
AGND:
模拟地。
SS:
软启动控制端。
该脚内部20uA的电流源对外接电容充电,控制软启动斜率。
COMP:
PWM控制器输入端。
该脚内接5KΩ的上拉电阻,由外部光耦调节占空比。
RT:
振荡器定时电阻端。
该脚外接电阻到地设置振荡器频率。
SYNC:
振荡器上升/下降同步输入端。
内部振荡器可和外部时钟同步,此外部时钟频率低于内部振荡器工作频率的20%。
最大同步频率则没有限制。
UVLO:
欠压锁定关断端。
该脚外接电阻设置欠压门限。
三、典型应用
LM5025的典型应用电路如下图所示:
四、工作原理
1、高压启动稳压器
LM5025内部有一个高电压启动稳压器,允许VIN直接连接输入电压。
稳压器最大输出电流为20mA。
VCC端电压达到7.6V,内部5V基准电压建立,控制器开始工作。
当VCC低于6.2V或在输入欠压锁定状态时,控制器关断。
在典型应用中,辅助绕组通过二极管连接到VCC端,该绕组必须使VCC电压高于8V,以关断内部启动稳压器。
用辅助绕组给VCC供电,不仅提高了效率,而且降低了控制器的损耗。
VCC端的外接电容必须保证在启动时,VCC电压不低于6.2V。
在故障状态时,辅助绕组无输出。
将VCC和VIN端连接在一起,通过外部偏置电压供电,就可用外部启动稳压器代替内部启动稳压器。
2、输入欠压保护
LM5025内置输入欠压锁定电路。
在VIN和GND之间外接分压电阻,可设定变换器的工作范围。
分压电阻必须确保当VIN在工作范围内时,UVLO的电压值大于2.5V。
如果VIN低于欠压门限,控制器的所有功能将关断,并进入低功耗待机状态。
UVLO的滞环通过内部20uA电流源实现。
UVLO端也可以用来实现外部关断,将UVLO端的电压拉至小于2.5V的门限时,变换器关断。
3、PWM输出
在实际应用中,可以设定主驱动输出(OUT_A)和有源钳位驱动输出(OUT_B)的相位关系。
如果有源钳位用以地为参考的P沟道钳位开关,这两个驱动同相,有源钳位驱动和主驱动重叠。
如果有源钳位用高边N沟道钳位开关,这两个驱动反相,两者的驱动脉冲有死区(如图2所示)。
LM5025可以通过连接在控制器TIME端的电阻精确设定驱动输出的死区时间或重叠时间。
该电阻接REF控制死区时间,接GND控制重叠时间。
芯片内部检测电阻连接方式,确定主驱动和有源钳位驱动的相位关系。
重叠/死区时间可由下式计算:
4、伏·
秒积钳位
伏·
秒积钳位比较器将斜坡信号同2.5V的基准电压比较。
适当选择RFF和CFF,设定主开关最大导通时间。
因为在钳位门限固定在2.5V时,连接在VIN端的电阻给RAMP端的电容充电,伏·
秒积钳位设定的导通时间随输入电压反比变化。
下面举例说明伏·
秒积钳位比较器的应用:
在200kHz,48V输入时,达到50%占空比钳位需要2.5us导通时间。
此时的伏秒积为:
120V×
us(48V×
2.5us)
CFF和RFF的计算公式为:
RFF×
CFF=VIN×
TON/2.5V
选CFF=470pF,RFF=102KΩ(建议CFF值的范围在100pF~1000pF之间)。
内部放电开关由时钟或伏·
秒积比较器控制,在每一个周期末对CFF斜坡电容放电。
5、过流保护
LM5025有两种过流保护。
一种是CS1的采样电压大于0.25V时,逐脉冲限流模式。
一种是CS2的采样电压大于0.25V时,控制器进行打嗝式限流保护。
此时控制器关断输出,先对软启动电容放电并将软启动电流源降到1uA,软启动电容完全放电后,再由1uA的电流源缓慢充电。
当SS端电压接近1V时,PWM比较器在OUT_A产生第一个脉冲,软启动电流源恢复到20uA(如图3所示)。
两种过流保护模式确保变换器在重载情况下可靠工作。
如果在重载时想将变换器作为电流源使用,可将电流采样信号输入CS1,CS2接地,通过CS1的逐脉冲限流模式来实现。
如果在重载时想将变换器暂时关断,然后再软启动。
将电流采样信号输入CS2,CS1接地,通过CS2打嗝式限流模式来实现。
如果重载情况一直持续,这种限流方式将不断重复。
打嗝式限流模式可以降低变换器的热损耗,而在逐脉冲限流模式下,变换器会有较高的热损耗,适用于短时重载情况。
如果同时需要两种限流模式,短时重载使用CS1逐脉冲限流模式,而持续重载使用CS2的打嗝式限流模式,那么电感电流的斜坡就要足够大,在CS1关断主输出开关之前,斜坡达到CS2的门限。
这就要求在电流采样端有一个高的dv/dt,使采样信号在达到CS1门限之前,达到CS2的门限。
在CS端滤波器、低阻值电流采样电阻或在超载情况下不饱和的电感,都会使斜坡达不到CS2的门限。
在靠近控制器的每个CS端要接RC滤波器。
每个CS输出端内部都有一个MOS管,在每个周期末对电流采样滤波电容放电,以提高动态响应。
这两个MOS管在每一个主开关周期时导通50ns,用来削减电流采样信号上升沿尖峰干扰。
LM5025内部CS比较器可以响应瞬时噪声脉冲,对电流采样滤波器和采样电阻的布局有严格要求。
CS滤波器的电容必须靠近芯片并直接连在芯片的CS和GND端。
如果使用电流互感器进行电流检测,互感器次极的两端都要接滤波器,滤波器应靠近芯片。
如果在主开关MOSFET的源极接采样电阻进行电流采样,该电阻要求是一个低感抗的电阻。
所有对噪声敏感的信号地都应在芯片GND附近连接在一起,信号地与功率地(采样电阻的地)单点连接。
6、振荡器同步
LM5025振荡器频率(F)由一个外接在RT和GND之间的电阻设定。
RT电阻应靠近芯片并直接连在芯片的RT、GND端。
LM5025的内部振荡器可和较低或较高频率的外部时钟同步。
较低的外部时钟的频率可低至内部振荡器工作频率的80%,最高外同步频率则没有限制。
同步时钟所需最小脉宽为100ns。
如不需要同步,SYNC端应接地。
若将RT和REF连接,内部振荡器不工作,将同步时钟连接,同步信号直接作为控制器的主时钟。
同步信号(在伏秒积限制范围内)可以控制工作频率和最大占空比。
最大占空比D是同步信号的(1-D)倍。
7、前馈补偿
在VIN和GND端之间外接一个电阻(RFF)和电容(CFF),产生PWM斜坡信号。
RAMP端的斜坡信号随输入电压变化而变化。
变化的斜坡提供输入前馈补偿,用以提高电压模式控制的输入瞬态响应。
斜坡信号和误差信号通过PWM运算放大器控制主输出的占空比。
伏秒积钳位比较器同时监控RAMP端,当斜坡幅值大于2.5V时结束当前周期。
在每一个周期末,内部时钟或伏秒积限制比较器先将斜坡信号复位为零。
8、热保护
LM5025内置热关断电路,保护芯片不超过最大结温。
热保护典型值是165˚C,控制器进入待机状态,输出驱动和输入偏置稳压器都不工作。
热滞后25˚C之后,变换器重新软启动。
五、结语
以LM2025为核心的有缘钳位变换器,具有完善的保护功能、稳定的性能和较低的成本。
可广泛应用于各种电源设计中。
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- LM 有效 PWM 控制器 及其 应用