ZVS移相全橋控制器UCC3895及其應(yīng)用

UCC3895芯片是Texaslnstruments公司生產(chǎn)的專用于PWM移相全橋DC／DC變換器的新型控制芯片。它在UC3875(79)系列原有功能的基礎(chǔ)上增加了自適應(yīng)死區(qū)設(shè)置和PWM軟關(guān)斷能力，這樣就適應(yīng)了負(fù)載變化時(shí)不同的準(zhǔn)諧振軟開關(guān)要求。同時(shí)由于它采用了BICMOS工藝，使得它的功耗更小，工作頻率更高，因而更加符合電力電子裝置高效率、高頻率、高可靠的發(fā)展要求。通過(guò)不同的外圍電路設(shè)置，既可工作于電壓模式，也可工作于電流模式，并且軟啟動(dòng)／軟停止可按要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2．UCC3895芯片介紹

UCC3895芯片采用了20個(gè)引腳實(shí)現(xiàn)了以下功能：自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間設(shè)置；振蕩器雙向同步功能；電壓模式控制或電流模式控制；軟啟動(dòng)／軟關(guān)斷和控制器片選功能可編程；移相占空比控制范圍0％～100％；內(nèi)置7MHz帶寬誤差放大器；最高工作頻率達(dá)到1MHz；工作電流低，500kHz下的工作電流僅為5mA；欠壓鎖定狀態(tài)下的電流僅為150μA。

UCC3895芯片是UC3875(79)系列芯片的升級(jí)，同后者相比，內(nèi)部電路做了許多改進(jìn)，設(shè)計(jì)更為方便，性能有所增加。下面介紹其部分主要引腳功能：

EAP、EAN、EAOUT分別為誤差放大器的同相輸入端、反向輸入端和輸出端。

CS和ADS CS是電流檢測(cè)比較器的反相輸入端。內(nèi)部接到電流測(cè)量比較器負(fù)輸入端和過(guò)流比較器正輸入端以及ADS放大器。電流測(cè)量信號(hào)用于實(shí)現(xiàn)峰值電流模式控制中的逐周期限流，及過(guò)流關(guān)閉輸出脈沖保護(hù)。過(guò)流關(guān)閉輸出脈沖會(huì)導(dǎo)致一個(gè)重新的軟啟動(dòng)過(guò)程。ADS是自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間設(shè)置，是該控制芯片新增的控制管腳，可設(shè)置最大和最小輸出死區(qū)時(shí)間之比值。CS端的電壓應(yīng)限制在2.5V以下。當(dāng)ADS與CS相連時(shí)，死區(qū)時(shí)間沒(méi)有自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能；當(dāng)ADS直接接地時(shí)，死區(qū)時(shí)間調(diào)節(jié)范圍最大，此時(shí)，CS=0時(shí)的死區(qū)時(shí)間約為CS=2.0V(峰值電流限制值)時(shí)死區(qū)時(shí)間的4倍。當(dāng)ADS接到CS和GND之間的電阻分壓器上時(shí)(見圖1)，VADS-VCS項(xiàng)減小，使VDEL也減小，即死區(qū)調(diào)節(jié)量減小。ADS通過(guò)式(1)改變腳DELAB和DELCD上的輸出電壓值VDEL，叫從而改變輸出死區(qū)。

式(1)中VADS必須限制在0V到2.5V且必須小于等于VCS。圖1給出與死區(qū)設(shè)置有關(guān)的電阻接線方法。

DELAB和DELCD兩引腳分別為兩路互補(bǔ)輸出端之間的死區(qū)時(shí)間設(shè)置。RDELAB通過(guò)DELAB端設(shè)置OUTA和OUTB之間的死區(qū)時(shí)間，RDELCD通過(guò)DELCD端設(shè)置OUTC和OUTD之間的死區(qū)時(shí)間。在該死區(qū)時(shí)間內(nèi)，外部橋式變換器的功率器件實(shí)現(xiàn)諧振轉(zhuǎn)換。兩半橋允許不同的死區(qū)時(shí)間以適應(yīng)不同的等效諧振電容充電電流。死區(qū)時(shí)間由式(2)決定：

DELAB和DELCD引腳上可輸出最大電流為1mA，應(yīng)選擇電阻RDEL使其輸出電流不超過(guò)該值。

CT和RT CT接振蕩定時(shí)電容CT，RT外接振蕩定時(shí)電阻RT。振蕩器通過(guò)一個(gè)可調(diào)的電流對(duì)CT充電，充電電流由RT決定。CT上波形為鋸齒波，峰值約2.35V。振蕩周期由式(3)近似估算，CT可從100pF到880pF，RT的阻值范圍40kΩ～120kΩ。

OUTA，OUTB，OUTC，OUTD 4個(gè)100mA的互補(bǔ)輸出MOS驅(qū)動(dòng)信號(hào)。OUTA和OUTB互補(bǔ)，OUTC和OUTD互補(bǔ)，分別驅(qū)動(dòng)外部功率電路的一個(gè)半橋功率開關(guān)，它們的工作頻率為振蕩頻率的一半。

SS／DISB軟啟動(dòng)和禁止端。其中禁止模式即芯片輸出的快逸關(guān)閉。禁止模式在外部強(qiáng)制SS／DISB低于0.5V、外部強(qiáng)制REF低于4V、VDD低到UNLO設(shè)定值之下、或在發(fā)生過(guò)流故障(CS>=2.5V)時(shí)啟動(dòng)。在REF低于4V或VDD低到UNLO情況發(fā)生時(shí)，SS／DISB被內(nèi)部MOSFET拉低到地，如果是發(fā)生過(guò)流，SS／DISB吸入10倍IRT電流直到SS／DISB低于0.5V。

圖2是UCC3895的時(shí)序圖。

圖2中，是時(shí)鐘信號(hào)，RAMP是RT端的鋸齒波，COMP表示的是電壓模式控制時(shí)誤差調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)。OUTPUTA、B、C、D為互補(bǔ)輸出MOS管的四個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。OUTPUTA和B互補(bǔ)，OUTPUTC和D互補(bǔ)，OUTPUTA、B和OUTPUTC、D之間的相位差由圖中輸出PWM波形的占空比決定。

3．基于UCC3895DC／DC變換器的參數(shù)設(shè)計(jì)

DC／DC變換器的電路原理如下圖3。圖中除了UCC3895及其外圍電路外，QA、QB、QC和QD四個(gè)MOSFET組成橋式變換電路，依靠其漏源間等效電容實(shí)現(xiàn)零電壓軟開關(guān)；T1和T2為脈沖變壓器，分別用來(lái)驅(qū)動(dòng)主電路開關(guān)管QA、QB和QC、QD；T4為電流互感器，與C7、R10一起組成電流檢測(cè)電路；T3為高頻變壓器，實(shí)現(xiàn)輸出隔離和電壓匹配；D1和D2對(duì)高頻變壓器副邊電壓整流，精L1、L2和C10濾波得到輸出直流電壓VCC；TL431是一個(gè)基準(zhǔn)電壓為2.5V的電壓調(diào)節(jié)器，通過(guò)光耦Q8實(shí)現(xiàn)輸出電壓閉環(huán)反饋。

采用UCC3895芯片作為控制電路主要部分，通過(guò)TI公司提供的原理圖、測(cè)試參數(shù)、設(shè)計(jì)原理、應(yīng)用參數(shù)等資料，結(jié)合本實(shí)驗(yàn)的要求給出部分電路參數(shù)設(shè)計(jì)。

預(yù)設(shè)fosc=200kHz，得tosc=1／200kHz=5μs，根據(jù)式(3)計(jì)算得RTCT=46.8×10-6，取RT=100kΩ，CT=470pF。

由式(1)和(2)，開關(guān)切換時(shí)CS端的最低電壓決定了最大死區(qū)時(shí)間。VCS上的電壓范圍為0V～2.5V，選取RCS=200kΩ，RADS=100kΩ，如圖3所示。據(jù)式(1)得到VDEL上的電壓范圍為0.5V～1.75V，選取RDELAB=RDELCD=2kΩ，最大電流為0.875mA<1mA，符合要求。再據(jù)式(2)得到死區(qū)時(shí)間為50～125ns。

據(jù)光耦參數(shù)，取工作點(diǎn)為IC=2.5mA，IF=3mA，選擇EAP端電壓工作點(diǎn)為VREF的中點(diǎn)，即得R4=VREF／(2IC)=1kΩ。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求輸出電壓Vcc=30V，已知TL431的參考電壓為2.5V，則應(yīng)取R8=11kΩ，R9=1.0kΩ。選擇TL431輸出端電壓工作點(diǎn)為動(dòng)態(tài)范圍的中點(diǎn)，可得R11=(Vcc-1.5-2.5)／(2IF)=4.3kΩ。

選擇驅(qū)動(dòng)變壓器原、副邊匝比為10：10；高頻變壓器T3原副邊匝比為15：45。輸入電壓Vin為15V，電流平均值約為5A；考慮占空比和的T3的勵(lì)磁電流，輸入電流峰值約為9A；電流互感器原副邊匝比選為1：75，可得副邊電流為0.12A；選擇R10為20Ω，可得CS端的最大電壓為2.4V，不能超過(guò)2.5V。

4．實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4是在上述參數(shù)下的控制電路輸出波形。

圖4中上面三個(gè)波形依次為CT上的輸出波形、OUTA的輸出波形和OUTB的輸出波形；下面三個(gè)波形是上面波形的局部放大圖。OUTA、OUTB的開關(guān)頻率為100kHz，CT的輸出頻率為200kHz的鋸齒波，開關(guān)頻率是fOCS的二分之一。為了觀察穩(wěn)定的波形，反饋回路處于開路，等效為輸出一直處于欠壓狀態(tài)；可以看出PWM占空比接近100％，死區(qū)時(shí)間約為120ns，在設(shè)定范圍之內(nèi)。

5．結(jié)論

本文介紹了ZVS移相全橋DC／DC變換器控制芯片UCC3895，與此前同類芯片比較增加了自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間控制。設(shè)計(jì)了一臺(tái)15V／30V的DC／DC變換器的設(shè)計(jì)，該方案采用了峰值電流控制模式，可在較大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)移相全橋零電壓開關(guān)(ZVS)。最大可實(shí)現(xiàn)1～2kW的功率變換。實(shí)驗(yàn)證實(shí)了UCC3895的控制功能。預(yù)計(jì)會(huì)有較大的應(yīng)用前景。