有源嵌位PWM控制器LM5025原理及应用

2012-03-15 来源：电源在线网

1. 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。

2. 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。

3.　典型应用

　　LM5025的典型应用电路如下图所示：

4．工作原理

4．1　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。

4．2　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。

4．3　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：

4．4　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。

4．5　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。

4．6　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。

4．7　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。

4．8　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。

5 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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