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  • 使用 MODE 引脚进行简单的恒压调节

    • ZHCADA6A October   2023  – February 2024 LM431 , LM5177 , LM51770 , TLV431

       

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Application Brief

使用 MODE 引脚进行简单的恒压调节

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引言

LM5177 是一款同步降压/升压控制器,可提供精确的反向电流限制,以便在功率级的输入端为储能系统充电,而输出端由电源供电。如果系统电源出现任何中断或故障,功率级的储能元件将为系统提供持续运行所需的电力。这种单芯片设计适用于许多应用,这些应用要求转换器双向运行,并能在主电源和备用电源之间无缝转换。例如,该设计可用于需要电源关键型系统的医疗领域。此外,由于功率级别可灵活扩展,因此可与太阳能发电系统集成,实现高效发电。

仅当降压/升压控制器处于 FPWM 模式时,备用操作才起作用。因此,要启用 FPWM 功能,控制器的 MODE 引脚必须为高电平。否则,转换器将以正向运行模式(PSM 模式)运行。在此工作模式下,备用储能元件连接至 LM5177 的 Vin(有时也标记为 VBat)。一旦启用备用电源操作并且功率级输出端电源电压大于反馈阈值,转换器便在输入端以恒流为储能元件充电。可以使用降压/升压控制器的两种不同的内置电流限制功能(例如峰值电流限制和平均电流限制)来调节储能元件的恒定充电电流。

为了调节储能元件的恒压充电,降压/升压控制器为客户提供各种选项,例如用于在 COMP 引脚和 MODE 引脚上进行恒压充电的外部控制器。本应用手册旨在介绍如何使用 MODE 引脚上的外部迟滞控制器和 COMP 引脚上的线性恒压控制器进行恒压充电。图 1 所示为使用 MODE 引脚和 COMP 引脚上的外部控制进行恒压充电的方框图。后续各节将讨论这两种恒压充电方法。

GUID-20230417-SS0I-RSSF-TZCQ-9FH6TGBRDTFQ-low.svg图 1 使用 MODE 引脚和 COMP 引脚对恒压充电进行外部控制

使用 MODE 引脚进行恒压充电

FPWM 和 PSM 模式的阈值电压分别为 1.19V 和 0.41V。如果 MODE 引脚上的上升沿大于 1.19V,则转换器处于 FPWM 模式,并且储能元件开始充电。同样,如果 MODE 引脚上的下降沿低于 0.41V,则转换器正向运行(无备用操作),并且储能元件开始放电。MODE 引脚控制可通过多种方式实现,例如使用具有外部基准的比较器、微控制器等。这些设计成本高昂,并且需要复杂的电路配置。因此,为了以简单的设计实现 MODE 引脚控制,我们使用 LM431 并联稳压器、低功耗 PNP 晶体管和低功耗 N 沟道 MOSFET 开发了迟滞控制器。图 2 所示为 MODE 引脚控制器的电路图。

GUID-20230414-SS0I-4KT0-T3D1-PD58FHRSNHSZ-low.svg图 2 用于 MODE 引脚控制的迟滞控制器

这种设计有一些重要的考虑因素。首先,迟滞控制器的 VCC 电源电流不得超过 10mA;否则,电路会使降压/升压控制器的 VCC 稳压器过载。该设计必须确保 LM431 的最小工作电流 (1mA)。否则,器件可能会影响电路的正常运行。要使 LM431 作为比较器准确无误地工作,阴极电压必须高于基准电压。LM431 的基准阈值电压为 2.5V。由于电池电压较高,分压器的电阻组合必须具有更高的电阻,以便限制 LM431 的基准电流和功率损耗。储能元件必须预充电以满足 VDET 条件,否则 LM5177 器件不会开启。

储能元件可以是任何类型,例如电池、电容器、超级电容器等。在本应用简报中,储能元件是电介质电容器。在图 2 所示的设计中,VCC 电压为 5V,最大 VCC 电源电流为 3mA,储能元件的恒压充电阈值为 30V。可通过改变分压器电路的比值来定义恒压充电限值。如果储能电压达到 30V,则分压器电路的基准电压会增加至 2.5V,而 LM431 的阴极电压会从 VCC 降低至 1.8V。

阴极电压的降低会导致 PNP 晶体管的发射极至基极端子之间的正向偏置,并且随后会导致发射极至集电极电压降低。这会导致 N 沟道 MOSFET 的栅源电压增加(从 0V 到 VCC),并且 MOSFET 导通。MODE 引脚电压从 VCC 降低至 20mV。降压/升压控制器从 FPWM 模式切换到 PSM 模式,并且储能元件开始放电。放电一直持续到电池电压达到迟滞控制的负阈值。这样,储能电压就稳定在 30V 左右,且 MOSFET 开关延迟引起的迟滞较小。

使用 COMP 引脚进行恒压充电

内侧电压环路误差放大器的精确实现将 COMP 引脚的精确电压反映在电感器的标称峰值电流值上。图 3 显示了 FPWM 模式下内侧电压环路误差放大器的控制 V/I 特性。V(comp, CL+) 和 V(comp, CL-) 的值分别为 1.25V 和 0.24V。而峰值电流的正负限值由峰值电流检测电阻定义。

GUID-20230417-SS0I-77GK-CSHM-SQRGW1NLQB3G-low.gif图 3 峰值电流检测电压与 VCOMP 间关系的控制函数

当 V(comp) 值小于 V(comp, CL0) 值时,将启用储能元件充电。而当 V(comp) 值等于 V(comp, CL0) 值时,将激活储能元件的恒压充电。因此,要使用 COMP 引脚实现恒压充电,需要使用闭环线性控制器。当储能元件达到所需的电压电平时,该控制器通过电流源对 COMP 引脚上的补偿网络充电。设计的线性控制器使用 TLV431(并联稳压器)和低功耗 PNP 晶体管。图 4 中显示了 COMP 引脚控制器的电路图。

GUID-20230414-SS0I-2RF8-FWXS-XKVVVWPRWFLX-low.svg图 4 用于 COMP 引脚控制的线性控制器

与 MODE 引脚控制器的设计类似,设计 COMP 引脚控制器时也有一些注意事项。首先,COMP 引脚控制器的电源电流不得超过 10mA,设计必须确保最小 TLV431 阴极电流 (0.1mA),并且 TLV431 的基准阈值电压为 1.24V。控制器设计必须根据电源电压的动态特性包含一个合适的补偿网络。否则,可能会出现控制环路不稳定问题。在本设计中,我们向电路添加了 100nF 的补偿电容。

COMP 引脚控制器的工作方式与 MODE 引脚控制器类似。当 TLV431 Vref 引脚的偏置电压等于 1.24V 时,控制器会启用 COMP 引脚处的电流源。线性控制器的恒压充电阈值为 30V。正向偏置中的 TLV431 提供适当的 PNP 发射极-栅极偏置电压,并为 COMP 引脚补偿网络充电。降压/升压控制器的反向电流为零,储能电压保持在 30V 的恒定值。

结果

为了验证为 MODE 引脚和 COMP 引脚设计的控制器的精度和准确度,我们对 LM5177 降压/升压控制器评估模块 进行了测试。图 5 和图 6 中的结果显示,在 MODE 引脚控制下,储能元件从恒流充电平稳过渡到恒压充电。设计的电路将储能元件的充电电压稳定在 30V 左右。在 MODE 引脚处进行调节期间,从 fPWM 模式和 PSM 模式之间的转换可以看出,MOSFET 的开关延迟造成的迟滞很小。这会导致储能元件的充电电压出现较小的纹波。此外,为了克服降压/升压控制器的内部低压保护,还为储能元件提供了 7.5V 的初始偏置电压。根据降压/升压控制器的平均电流限制功能,将恒压充电阶段的充电电流限制为 2.5A。这为储能元件提供了额外的充电保护,并可控制充电电流。

GUID-20230414-SS0I-DSVP-GCZG-NV3D0DKKQLX1-low.png图 5 具有迟滞控制功能的恒压充电示波器图
GUID-20230417-SS0I-BJ3G-CLJD-TVCDXG7QDFQW-low.png图 6 放大迟滞控制效果的恒压充电放大图
GUID-20230417-SS0I-FSX2-X6N9-T57LLPQHT7KB-low.png图 7 具有线性控制功能的 CV 充电图
GUID-20230417-SS0I-DNJV-2VNG-SD12JJVBS8MQ-low.png图 8 放大线性控制效果的 CV 充电图

图 7 和图 8 显示了 COMP 引脚控制的结果。结果证实,COMP 引脚控制可分别在 30V 和 1V 电压下准确调节储能电压和 COMP 引脚电压。此外,示波器图还显示,在恒流和恒压过渡区域之间的 COMP 引脚处有一个电压尖峰。为了克服这一电压尖峰,需要在设计的线性电压控制器中加入一个更高阶的补偿网络。此外,示波器图还显示,储能元件的初始偏置电压设置为 3.4V,以克服降压/升压控制器的内部低压保护阈值。

总结

上述部分的结果表明,在使用 MODE 引脚和 COMP 引脚控制恒压充电过程中,可对储能电压进行无缝调节。因此,在任何设计的应用中,都建议使用这两种恒压充电功能。通过使用具有较低工作电流和基准电压的并联稳压器(例如 COMP 引脚控制器中使用的 TLV431 稳压器),可以提高所设计控制器的效率并增大电源电流。通过向分压器电路添加一个小型并联电流源,或向 MOSFET 添加一个较小电容(栅极与源极之间),可将不同值的迟滞添加到 MODE 引脚控制器。

参考文献

  • 德州仪器 (TI),LM5177 80V 宽 VIN 双向 4 开关降压/升压控制器 数据表。
  • 德州仪器 (TI),使用内部限流器实现恒流运行 应用简报。
  • 德州仪器 (TI),LM5177 降压/升压控制器评估模块,用户指南。
  • 德州仪器 (TI),TLV431x 低电压可调节精密并联稳压器 数据表。

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