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具有“砖”式设计功能的半桥结构 PMM 控制器特征与应用

2008-10-09 10:12:54 来源:《国际电子变压器》2008年10月刊 点击:1347
1 前言
由于半桥变换器具有推挽或全桥拓扑所没有的优点,所以传统的高功率系统往往会采用此电路结构来实现 DC/DC 电源转换器。然后随着便携式电子设备的发展,对其系统的功率密度要求越来越高,因此迫切希望将具有高功率密度的半桥结构的变换器也用于该类系统低功率的 DC/DC 之中。为此本文将从介绍半桥变换器基本技术入手,对具备同步整流控制功能的半桥结构新一代控制器特征及应用作出分析说明。  
2 半桥变换器技术
2.1 半桥变换器基本电路
因为减小了原边开关管的电压应力,所以半桥变换器是离线开关电源较好的拓扑结构。
图1(a)示出半桥变换器电路图。图1(b)示出变压器 T 原边绕组的电压 VB-A 和电流 Ip 的波形图。电容器 C1、C2 与开关管 MOSFET Q1、Q2 组成桥,桥的对角线接变压器T的原边线圈故称半桥 Vin 的变换器。如果 C1=C2,某一开关管导通时,绕组上电压只有电源电压一半。其 Q2 是半桥的高端(HM)管,Q1 是半桥的低端(LM)管。
半桥转换器采用以变压器将输入输出电路隔离的降压结构;电压应力比正激结构少一半;变压器的体积比正激结构小一半;有效开关频率比正激结构高一倍;变压器的使用率接近 100%。
该半桥变换器有二个显著优点,其一、半桥结构可利用磁芯的整个 B-H 滞环,这样可以更充分使用磁芯,因此可减小变压器的体积而功率保持不变;其二、半桥结构可驱动两个功率脉冲信号,因此输入及输出滤波器的体积可以进一步缩小。
2.2 半桥结构技术状态
稳态条件下,在 Cl=C2,Q2 导通时,C2 上的 1/2Vin 加在原边线圈上,Q2 流过负载 Io、折算至原边电流加上磁化电流。经占空比所定时间后,Q2 关断。此时,由于原边线圈和漏电感的作用,电流继续流人原边线圈黑点标示端。但 B 接点摆动到负电位(A 为 0 电位)。并且,如果原边线圈漏电感储存的能量足够大时,二极管 D6 将导通,箝位电压进一步变负。D6 导通的过程,把反激能量再生对 C1 进行充电。
B 连接点的电压在阻尼电阻作用下以振荡形式最后回复到原米的中心值。如果这时 Q1 加有导通脉冲,Q1 导通。原边线圈黑点端变负。负载 Io 折算电流加上磁化电流经原边绕组和 Q1。然后重复以前的过程。不同的是,IP 反了方向,Q1 关断时接点 B 摆动到正。D5 导通箝位。反激能量再生对 C2 进行充电。
副边电路的工作如下:当 Q2 导通时,副边绕组 Vin' 电压使 D7 导通,与正激变换器工作相似。当 Q2 关断,二个绕组电压均朝零变化。副边回路电感 L 反激,储能继续供能负载 RL。当副边线圈电压降到零时,二极管 D7、D8都起着续流作用。D7、D8 分得的电流近似相等。在 D7、D8 都导通时,副边电压 Vin' 箝位到零。
在稳态条件下,在开关管导通期间通过 L 的电流增加,关断期间 L 的电流减小,其平均值等于输出流 Io。只要通过使用合适的控制线路调整占空比,在电源电压 Vin 和负载 Io 变化时可以保持输出电压 Vout 不变.
3 具备“砖”式设计功能的新型的半桥结构的 PMM 控制器 LM5035 特征
LM5035 是美国国家半导体公司产的控制器/驱动器二合一芯片,之所以说它是具备“砖”式转换器设计功能的芯片,取决它的特征。值此有必要先说明“砖”式转换器理念。
3.1 关于“砖”式转换器
应该说小型 DC/DC “砖”式转换器目前发展很快。如八分之一“砖”凭借超过上一代四分之一“砖”的功率能力,而十六分之一“砖”也在应用,此类转换器的功率能力也得到了较大的改善。上述两种“砖”式转换器的共同之处是都能在比较苛刻的环境下提供全功率。
目前事实上的标准是在 +70℃ 和 2001fm 风冷条件下提供全功率。目前“砖”式转换器有各种型号规格,其电压转换比率有 4:1,可以在 12V 电压上提供 16A 的最大输出电流。还有两款单一输出为 50W 的产品,可以在 3.3V 电压上提供 15A 的电流,或者在 5V 电压上提供 10A 的电流,面向无线基站之类的应用。这些转换器具有超宽的输入电压范围(18-60V)。
线调节精度达0.3%,负载调节精度达 0.5%(10A 款式),输出效率超过 90%。
3.2 LM5035 芯片的特征-为“砖”式设计提供所需的所有初级侧控制功能
LM5035 芯片采用有更高散热能力的 20 引脚 TSSOP 封装以及更小巧的 24 焊盘的无引脚 LLP 封装(4mmx 5mm),其可与外相接入的功能点见图 2 所示。
3.2.1 为什么可为“砖”式设计提供所需的所有初级侧控制功能?
这是因为该芯片虽然体积极为小巧,但内置很多不同的电路,因此可为“砖”式设计提供所需的所有初级侧控制功能,即芯片的内置电路包括高电流 MOSFET 驱动器、可提供延迟补偿的同步次级FET控制器、可承受 105V 工作电压的启动稳压器,输入前馈功能以优化稳压效果以及开关频率高达 2MHz 的内置振荡器。芯片还设有欠压锁定及过压保护功能,而这两个功能还可用于其他方面,例如可执行远程过热保护及次级过压锁定保护等功能。虽然 LM5035 芯片采用电压模式控制,但另外还提供每一周期的电流限幅功能。这个功能可以单独使用。也可让用户自行设定,以实现打嗝保护功能。
此外,还设有高精度的 +5V 电压参考电路,以便为光耦合器及其他误差检测电路提供电源。LM5035 控制器可直接驱动初级的两个 N 沟道功率开关。上位门驱动器有 100V 的电平转换功能,以及自举二极管。LM5035 芯片可通过门驱动变压器及另一个双输出门驱动器(LM5110)控制次级的同步 MOSFET。
3.2.2 芯片的主要特征
a 可没定的同步整流器
0.5A 的非重叠次级线圈驱动器;RDLY 可以调节空档时间,以确保同步场效应晶体管(FET)可以发挥最高的效率,而又避免直通导电情况出现;前沿计时器是后沿计时器的一倍;
由于同步场效应晶体管的门极电容较大,因此一般都会与次级驱动器芯片搭配一起使用。   
b 前馈控制
若采用电压模式,便可提供类似电流模式的线路稳压功能;限制‘瞬态状态’的删脉冲宽度。
c 内置初级级驱动器
单芯片的初级侧解决方案,最适用于体积小巧的系统设计;2A 电流,15ns 的上升时间;
在 LM5100 芯片的基础之上再加以改良;可加以重新配置。以支持双通道低端操作(例如推挽式设计);适用于 105V 以上的离线系统,因为 HS 己接地,而 HO 可驱动门变压器;可驱动 HB 引脚。使电压可高达 118V。
d 遂周期的过滤保护
可利用 CS 变压器的传感电阻设定初级的电流限幅;阀值为 250mV,有助于降低损耗及提高抗干扰能刀;可以对过流作出灵活响应,而且 RES 输入端可以执行多种功能.
e 过载打膈
将 RES 输入端连接接地,可使 CS 限幅周期可以连续不断;中断 RES 输入端的连线,以免算一个 CS 限幅周期便出现打膈;可以利用设于 RES 输入端的电容器,设定出现打膈之前的 CS 限幅周期数目。
f 高性能的光耦合器接口
直接连接标准的光耦合器,无需另外加设其他元件;电流镜输入电压不但恒定。而且阻抗也较低,有助提高抗噪音干扰的能力;由于受到集极/基极电容的影响。因此恒定的光耦合电压将极点由 10kHz 提高至 50kHz 以上。
正因为 LM5035 芯片的这些特征,所以用它构建半桥结构的 DC/DC 是转换器实现 50W 高功率密度系统的最佳选择。
4 应用 LM5035 芯片构建的半桥结构 DC/DC 降压转换器电路方案
4.1 图 2 为构建的半桥结构 DC/DC 降压转换器电路方案
该半桥结构的设计思想来自降压转换器,因降压转换器在导通时会将初级线圈的能量传送到次级线圈,而非像采用反激结构的转换器一样将电能储存在变压器之内。半桥结构可通过 MOSFET 将磁芯的激磁电能传送回输入电容器,因此可省去正激结构所采用的复位方法。
4.2 方案分析
从图 2 方案中将采用半桥式结构的电源转换器的功率级简化(见图 3 所示)。其变压器的匝数比为 4: 1。初级线圈的绕线匝数为 8,而次级线圈则采用设有中心抽头的结构。每一次级线圈的绕线匝数为 2。变压器采用平面结构技术。而初级线圈则采用多层式印刷电路板。每一高电流的次级线圈都加设了绝缘的铜片冲压件。
a 方案为标准的半桥转换器
其优点为接近 100% 的有效占空比(高功率密度),初级开关的电压应力较低(容许采用较低的 Ron 的 MOSFET),由于磁芯摆幅可局限在 B-H 滞环的两个象限内,因此容许采用较小的变压器。其半桥转换器公式为 Vout=n·Vin·D。
“n”是初级线圈与次级线圈的匝数比。即1: n
“D”是上管导通时间加下管导通时间再除以整个开关周期的数值
b 关于半桥变压器的功率脉冲
低端 MOSFET(LM) 一旦启动,变压器初级线圈加上 1/2Vin 的电压,极性显示如下。次级线圈同时产生 1/2 ·Vin ·(Ns/Np ) 的电压:SR1 同步整流器启动之后。电流便流入输出电感器。
半桥变压器的初级线圈 Np 交替输入正与负功率脉冲,然后再将之传送到次级线圈。高端 MOSFET 一旦启动变压器的初级线圈加上 1/2 Vin 的电压,极性显示如下:次级线圈同时产生 1/2·Vin ·(Ns/Np ) 的电压,SR2 同步整流器启动之后。电流便流入输出电感器。
变压器的次级线圈设有中心抽头,而中心抽头则与输出 LC 滤波器连接一起。高功率密度的系统可以采用多个同步整流器,实现次级整流功能。
c 选择桥式电容器
CHo 及 CLo 共同负责执行分压器的功能。这两个电容器若有相同的电容值,其中间点应位于 1/2Vin;电容分压器中间点的纹波电压可以根据 q=C·V 这一公式计算出来。若输入电压为 48V,输出功率为 100W,转换效率为 90%,占空比为 50%,开关频率为 400kHz,而 CHo 及 CLo 同样为 2 ×6.8pF。   
d 半桥变压器的“关闭”时间
处于两个功率脉冲之间时,高端 MOSFET 与低端 MOSFET 都会关闭,而两个同步整流器则一同启动。由于两个次级线圈都连成一起成为短路,因此次级线圈不会产生电感效应,等效为已接地的短路。这样便为输出电感器提供一条输送电流的路径。让输出电感器可以继续将能量传送到输出电容器及负载。每一次级线圈的导电最大约是负载电流的一半。
e 独道的半桥变压器的磁芯复位
以采用半桥结构的正激转换器为例来说。只要初级线圈进行导电,次圾线圈也会进行导电。次级线圈的安培匝数电流与初级线圈同一数量的安培匝数电流以相反的方向在变压器磁芯上流动。磁芯完全不受任何影响。例如,磁通密度完全没有提高,而变压器也不会饱和。
初级线圈的电位差会通过电感作用产生初级线圈电流,这个现象称为激磁电感。磁芯会在每一功率脉冲周期内被磁化。因此每一电脉冲周期完结后,磁芯必须进行消磁,否则磁芯的磁场不但不会消失,而且磁通密度还会不断升高,直至饱和为止,使初级线圈的电感量下降到线圈的空气/磁芯电感水平。
f 半桥变压器的泄漏电感
变压器产生泄露电感的原因出于初级线圈与次级线圈无法占用同一空间;泄漏的总电感量是变压器漏电感及 PWB 线路长短的总和;初级线圈的 MOSFET 体内三极管会在 HO 脉冲发出之后将泄漏电感所储存的 CHO 电能回送到 CLo,而且又会在 Lo 脉冲发出之后将之同送到 Cho。
5 结束语
这方案电路可在 36-76V 的输入电压范围内操作,输出 3.3V,100W。在中等负载条件下具有 92% 的峰值效率。应用范围广泛,适用于企业、服务器与存储、数据通讯和一般的网络连接,在 100W 至 500W(甚至高达1000W)的系统都适用。采用这种性能可靠的技术,便可实现高效率及高功率密度的设计。
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