新型有源箝位軟開關(guān)PWM控制器UCC289X的原理及應(yīng)用

分類：技術(shù)教程日期：2009-06-08 11:31:59 來源：

引言

UCC289X系列是德州儀器公司（TI）繼UCC3580之后，于2003年推出的新型PWM控制器[1]。該系列產(chǎn)品包括UCC2891、UCC2892、UCC2893和UCC2894等，其中，UCC2891和UCC2892的輔助輸出與主輸出同相，用于驅(qū)動(dòng)PMOS；UCC2893和UCC2894的輔助輸出與主輸出反相，用于驅(qū)動(dòng)NMOS。UCC289X系列適用于有源箝位正激或反激變換器，可提供輔助簡單編程的延時(shí)，獲得適當(dāng)?shù)挠性大槲徊僮鳎瑥亩鵀樵叺腗OSFET器件提供零電壓開關(guān)(ZVS)功能，降低變換器的開關(guān)損耗。軟開關(guān)功能可使這些器件在高頻下獲得更高的效率，并通過降低電磁干擾(EMI)和射頻干擾(RFI)及電源組件的損耗提高系統(tǒng)的整體可靠性。

基于TI第一代UCC3580有源箝位控制器，這4種新的控制器在改善性能的同時(shí)又減少了許多外接元器件。UCC289X系列有內(nèi)部可編程的斜率補(bǔ)償電路，精確的最大占空比限制以及內(nèi)置定時(shí)電容的1MHz同步振蕩器，并具有可編程的軟起動(dòng)和線路監(jiān)視功能。此外，UCC2891與UCC2893還具有內(nèi)部110V啟動(dòng)功能，簡化了電路設(shè)計(jì)。

1 UCC289X的基本結(jié)構(gòu)及主要特性

UCC289X系列芯片具有16引腳SOIC和小外形TSSOP兩種封裝形式。UCC2892和UCC2894的腳16為輸入過壓檢測端。UCC2891與UCC2893具有內(nèi)部110V高壓啟動(dòng)電路，其腳16（VDD）直接接輸入電源端。

UCC2891和UCC2893的引腳圖

圖1 芯片引腳圖

表1 UCC289X引腳說明

引腳	名稱	功能
1	RDEL	開通時(shí)延設(shè)置
2	RTON	定時(shí)電容充電時(shí)間設(shè)置
3	RTOFF	定時(shí)電容放電時(shí)間設(shè)置
4	VREF	基準(zhǔn)電壓
5	SYNC	外同步時(shí)鐘輸入
6	GND	參考地
7	CS	電流檢測
8	RSLOPE	斜坡補(bǔ)償
9	FB	反饋輸入
10	SS	軟啟動(dòng)
11	PGND	門極驅(qū)動(dòng)地
12	AUX	輔助輸出
13	OUT	主輸出
14	VDD	工作電壓（12V）
15	LINEUV	欠壓鎖定
16	VIN	芯片輸入電壓

圖2是UCC289X的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖，主要包括基準(zhǔn)電壓電路、欠壓鎖定與軟啟動(dòng)電路、同步電路、誤差放大器、斜坡補(bǔ)償電路和主從輸出等。其主要特點(diǎn)如下。

圖2 UCC289X內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

1）采用峰值電流控制模式，并具有逐個(gè)周期電流限制功能 UCC2891和UCC2893腳7（CS）的門限電壓是0.75V，UCC2892和UCC2894的是1.27V。腳7經(jīng)RC濾波電路接電流檢測電阻。當(dāng)腳7檢測到過流時(shí)，芯片內(nèi)部的滯環(huán)比較器輸出高電平，使SR觸發(fā)器復(fù)位，主輸出關(guān)閉，從而對電路進(jìn)行保護(hù)。

2）集成可編程死區(qū)時(shí)間控制的±2A門極驅(qū)動(dòng)器用戶可通過接在芯片腳1的R_DEL實(shí)現(xiàn)對門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)開通時(shí)延的控制，R_DEL=(t_DEL－50×10^－9)×0.87×10¹¹。

UCC289X的主、輔輸出拉、灌電流都可達(dá)2A，因此，可快速開關(guān)主、輔開關(guān)管。

3）UCC2891與UCC2893具有內(nèi)部110V高壓啟動(dòng)電路 UCC2891與UCC2893的腳16（VDD）直接接至輸入電源端，芯片內(nèi)部的欠壓鎖定電路監(jiān)視VDD電壓。啟動(dòng)時(shí)，芯片內(nèi)部的JFET開通，為儲(chǔ)能電容C_BIAS和C_HF充電，充電電流近15mA。當(dāng)VDD上升到欠壓鎖定開啟閾值13V時(shí)，芯片內(nèi)部的其他電路開始工作，驅(qū)動(dòng)門極上出現(xiàn)信號(hào)，JFET立即關(guān)斷，偏置電壓轉(zhuǎn)由自舉繞組提供。

4）具有可編程最大占空比控制的1MHz同步振蕩器 UCC289X系列設(shè)有同步輸入端（腳5），用于令振蕩器與系統(tǒng)時(shí)鐘同步，從而可以限制變換器的最大占空比，如圖3所示。通常情況下芯片主輸出的最大脈寬由定時(shí)電容的充電時(shí)間限制。采用同步功能時(shí)，同步信號(hào)的上升沿使定時(shí)電容停止充電，并開始放電。一旦定時(shí)電容的電壓下降至預(yù)先設(shè)定的閾值，新的充電周期自動(dòng)開始。這種同步方法使定時(shí)電容的充放電過程不再受變換器工作模式的影響，從而保持了變換器的最大占空比。

圖3 同步波形

5）可編程內(nèi)部斜坡補(bǔ)償功能用戶可通過接在腳7的R_F和接在8腳的R_SLOPE對電路進(jìn)行斜坡補(bǔ)償。

6）可編程軟啟動(dòng)功能 UCC289X內(nèi)部具有一精確的DC電流源，用戶可通過腳2的外接電阻R_ON控制軟啟動(dòng)電流，即I_SS=

×0.43A。

7）準(zhǔn)確的輸入欠壓與過壓傳感閾值 UCC289X通過腳15即可實(shí)現(xiàn)輸入欠壓滯環(huán)控制。輸入欠壓時(shí)，箝位電容放電（見圖4）。當(dāng)輸入低于欠壓鎖定關(guān)斷閾值8V時(shí)，主輸出驅(qū)動(dòng)脈沖閉鎖，輔助輸出端仍有脈沖輸出，軟啟動(dòng)電容C_SS緩慢放電。隨著輔助輸出端脈寬的增大，箝位電壓逐漸減小，從而實(shí)現(xiàn)了欠壓保護(hù)功能。UCC2892和UCC2894沒有高壓啟動(dòng)裝置，其腳16用于提供過壓保護(hù)功能。同樣，用戶通過腳15即可實(shí)現(xiàn)輸入過壓滯環(huán)控制。這是由于腳15的電壓是對輸入的分壓，其輸入過壓關(guān)斷閾值是1.27V。當(dāng)腳15檢測到其輸入高于1.27V時(shí)，主輸出停止工作，同時(shí)軟啟動(dòng)電容CSS緩慢放電。當(dāng)CSS為0.5V，過壓消失后，電路通過軟啟動(dòng)恢復(fù)正常工作。

（a）欠壓鎖定關(guān)斷波形

（b）輸入過壓保護(hù)

圖4 輸入欠壓鎖定關(guān)斷波形和輸入過壓保護(hù)

2 UCC289X的應(yīng)用

UCC289X適用于中小功率的低壓大電流通信電源，如服務(wù)器、數(shù)據(jù)通信轉(zhuǎn)接器、遙控設(shè)備及DSP、ASIC等。

圖5所示為采用控制芯片UCC2891設(shè)計(jì)的100W同步整流有源箝位正激變換電路。電路的試驗(yàn)參數(shù)如下：輸入電壓48V，輸出電壓3.3V，輸出電流30A，開關(guān)頻率300kHz，最大占空比設(shè)為0.65。其中，主開關(guān)采用N溝道MOSFET(Q₁)，箝位開關(guān)采用P溝道MOSFET(Q₂)，主副開關(guān)間的死區(qū)時(shí)間由腳1的外接電阻R_DEL控制。T₁是主變壓器，C_CL是箝位電容。為使電流檢測端的功耗最小，采用電流檢測變壓器T₂。副邊采用同步整流技術(shù)，Q₃和Q₄是相應(yīng)的同步整流管。與以往通過主變壓器的輔助繞組獲得偏置電壓的方式不同，本文利用輸出濾波電感L_O的耦合電感作為原邊控制芯片的偏壓繞組，從而既可以為芯片提供穩(wěn)定的偏壓，又避免了采用常規(guī)線性調(diào)節(jié)器時(shí)產(chǎn)生的功耗。線性光耦SFH690BT與可調(diào)式并聯(lián)穩(wěn)壓器TLV431將輸出反饋至芯片的FB端。

圖5 采用UXX2891實(shí)現(xiàn)的同步整流有源箝位正激變換器電路

設(shè)置合適的時(shí)延可使主從開關(guān)都具有ZVS開通條件。UCC2891的腳1（DELAY）專門用于控制OUT與AUX間的時(shí)延。圖6給出了兩個(gè)時(shí)延間的比值。在主開關(guān)向輔助開關(guān)過渡的過程中，時(shí)延對于ZVS條件并不十分關(guān)鍵。在OUT關(guān)斷過程的前半部分，輔助開關(guān)的體二極管導(dǎo)通，因此，AUX可以在此后的任何時(shí)刻實(shí)現(xiàn)ZVS開通。輔助開關(guān)向主開關(guān)的過渡則更為關(guān)鍵。AUX脈寬結(jié)束時(shí)寄生電感中的能量可用于在延時(shí)期間對主開關(guān)管的寄生電容放電。時(shí)延（Delay1）應(yīng)為寄生電感和寄生電容決定的諧振周期的1/4。但是由于電路其他寄生參數(shù)的影響，諧振可能會(huì)有所改變，使得某些情況下無法實(shí)現(xiàn)ZVS開通。可以看出，在特定的電路里，最合適的時(shí)延取決于工作條件。故應(yīng)具體問題具體對待。

圖6 Delay1與Delay2的關(guān)系曲線

試驗(yàn)結(jié)果表明，在整個(gè)輸入及負(fù)載變化范圍內(nèi)，輸出電壓波動(dòng)范圍在4mV(0.1％)以內(nèi)。此電路可實(shí)現(xiàn)滿載到空載的調(diào)解，在相當(dāng)寬的工作電壓范圍內(nèi)，變換器的效率在90％以上，如圖7所示。