新型有源箝位軟開關PWM控制器UCC289X的原理及應用
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摘要：介紹了電流控制型芯片UCC289X的基本原理，設計出了基于該芯片的同步整流有源箝位正激變換器的實用電路。實驗結果證明，該芯片具有較好的控制特性和穩(wěn)定性。
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，用于驅動PMOS；UCC2893和UCC2894的輔助輸出與主輸出反相，用于驅動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，獲得適當?shù)挠性大槲徊僮?，從而為原邊的MOSFET器件提供零電壓開關(ZVS)功能，降低變換器的開關損耗。軟開關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又減少了許多外接元器件。UCC289X系列有內部可編程的斜率補償電路，精確的最大占空比限制以及內置定時電容的1MHz同步振蕩器，并具有可編程的軟起動和線路監(jiān)視功能。此外，UCC2891與UCC2893還具有內部110V啟動功能，簡化了電路設計。
1 UCC289X的基本結構及主要特性
UCC289X系列芯片具有16引腳SOIC和小外形TSSOP兩種封裝形式。其引腳如圖1所示，引腳說明見表1。UCC2892和UCC2894的腳16為輸入過壓檢測端。UCC2891與UCC2893具有內部110V高壓啟動電路，其腳16（VDD）直接接輸入電源端。
表1 UCC289X引腳說明
引 腳 | 名 稱 | 功 能 |
1 | RDEL | 開通時延設置 |
2 | RTON | 定時電容充電時間設置 |
3 | RTOFF | 定時電容放電時間設置 |
4 | VREF | 基準電壓 |
5 | SYNC | 外同步時鐘輸入 |
6 | GND | 參考地 |
7 | CS | 電流檢測 |
8 | RSLOPE | 斜坡補償 |
9 | FB | 反饋輸入 |
10 | SS | 軟啟動 |
11 | PGND | 門極驅動地 |
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的內部結構框圖，主要包括基準電壓電路、欠壓鎖定與軟啟動電路、同步電路、誤差放大器、斜坡補償電路和主從輸出等。其主要特點如下。
圖2 UCC289X內部結構框圖
1）采用峰值電流控制模式，并具有逐個周期電流限制功能 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。當腳7檢測到過流時，芯片內部的滯環(huán)比較器輸出高電平，使SR觸發(fā)器復位，主輸出關閉，從而對電路進行保護。
2）集成可編程死區(qū)時間控制的2A門極驅動器 用戶可通過接在芯片腳1的RDEL實現(xiàn)對門極驅動信號開通時延的控制，RDEL=(tDEL－5010－9)0.871011。
UCC289X的主、輔輸出拉、灌電流都可達2A，因此，可快速開關主、輔開關管。
3）UCC2891與UCC2893具有內部110V高壓啟動電路 UCC2891與UCC2893的腳16（VDD）直接接至輸入電源端，芯片內部的欠壓鎖定電路監(jiān)視VDD電壓。啟動時，芯片內部的JFET開通，為儲能電容CBIAS和CHF充電，充電電流近15mA。當VDD上升到欠壓鎖定開啟閾值13V時，芯片內部的其他電路開始工作，驅動門極上出現(xiàn)信號，JFET立即關斷，偏置電壓轉由自舉繞組提供。
4）具有可編程最大占空比控制的1MHz同步振蕩器 UCC289X系列設有同步輸入端（腳5），用于令振蕩器與系統(tǒng)時鐘同步，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電容的充電時間限制。采用同步功能時，同步信號的上升沿使定時電容停止充電，并開始放電。一旦定時電容的電壓下降至預先設定的閾值，新的充電周期自動開始。這種同步方法使定時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。
5）可編程內部斜坡補償功能 用戶可通過接在腳7的RF和接在8腳的RSLOPE對電路進行斜坡補償。
6）可編程軟啟動功能 UCC289X內部具有一精確的DC電流源，用戶可通過腳2的外接電阻RON控制軟啟動電流，即ISS=0.43A。
7）準確的輸入欠壓與過壓傳感閾值 UCC289X通過腳15即可實現(xiàn)輸入欠壓滯環(huán)控制。輸入欠壓時，箝位電容放電（見圖4）。當輸入低于欠壓鎖定關斷閾值8V時，主輸出驅動脈沖閉鎖，輔助輸出端仍有脈沖輸出，軟啟動電容CSS緩慢放電。隨著輔助輸出端脈寬的增大，箝位電壓逐漸減小，從而實現(xiàn)了欠壓保護功能。UCC2892和UCC2894沒有高壓啟動裝置，其腳16用于提供過壓保護功能。同樣，用戶通過腳15即可實現(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，其輸入過壓關斷閾值是1.27V。當腳15檢測到其輸入高于1.27V時，主輸出停止工作，同時軟啟動電容CSS緩慢放電。當CSS為0.5V，過壓消失后，電路通過軟啟動恢復正常工作。
圖4 輸入欠壓鎖定關斷波形和輸入過壓保護
2 UCC289X的應用
UCC289X適用于中小功率的低壓大電流通信電源，如服務器、數(shù)據(jù)通信轉接器、遙控設備及DSP、ASIC等。
圖5所示為采用控制芯片UCC2891設計的100W同步整流有源箝位正激變換電路。電路的試驗參數(shù)如下：輸入電壓48V，輸出電壓3.3V，輸出電流30A，開關頻率300kHz，最大占空比設為0.65。其中，主開關采用N溝道MOSFET(Q1)，箝位開關采用P溝道MOSFET(Q2)，主副開關間的死區(qū)時間由腳1的外接電阻RDEL控制。T1是主變壓器，CCL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，Q3和Q4是相應的同步整流管。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LO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)線性調節(jié)器時產(chǎn)生的功耗。線性光耦SFH690BT與可調式并聯(lián)穩(wěn)壓器TLV431將輸出反饋至芯片的FB端。
圖5 采用UXX2891實現(xiàn)的同步整流有源箝位正激變換器電路
設置合適的時延可使主從開關都具有ZVS開通條件。UCC2891的腳1（DELAY）專門用于控制OUT與AUX間的時延。圖6給出了兩個時延間的比值。在主開關向輔助開關過渡的過程中，時延對于ZVS條件并不十分關鍵。在OUT關斷過程的前半部分，輔助開關的體二極管導通，因此，AUX可以在此后的任何時刻實現(xiàn)ZVS開通。輔助開關向主開關的過渡則更為關鍵。AUX脈寬結束時寄生電感中的能量可用于在延時期間對主開關管的寄生電容放電。時延（Delay1）應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，諧振可能會有所改變，使得某些情況下無法實現(xiàn)ZVS開通?？梢钥闯觯谔囟ǖ碾娐防?，最合適的時延取決于工作條件。故應具體問題具體對待。
試驗結果表明，在整個輸入及負載變化范圍內，輸出電壓波動范圍在4mV(0.1％)以內。此電路可實現(xiàn)滿載到空載的調解，在相當寬的工作電壓范圍內，變換器的效率在90％以上，如圖7所示。
圖7 變換器的效率曲線
3 結語
將UCC2891應用于100W同步整流有源箝位正激變換電路中，試驗結果證明了該芯片具有較好的控制特性和穩(wěn)定性。
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