新一代有源箝位PWM控制器UCC289l系列及其應(yīng)用
關(guān)鍵詞：有源箝位；ZVS；功率傳輸；諧振
O 引言
對(duì)于輸出功率在50～500 W的單路或多路的開關(guān)電源，單端正激電路是較佳的拓?fù)溥x擇。單端正激變換器中的變壓器磁復(fù)位技術(shù)，有多種選擇。由于有源箝位技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)ZVS(零電壓開關(guān))，降低主功率開關(guān)的應(yīng)力，減少EMT，擴(kuò)展占空比范圍，有效地改善了變換器的效率，因而獲得了廣泛的應(yīng)用。
但有源箝位技術(shù)的缺點(diǎn)之一是需要精確的箝位占空比，如果沒有箝位在某一最大值上，增加的占空比可能會(huì)導(dǎo)致變壓器磁芯的飽和或主功率開關(guān)M0SFET上的附加電壓應(yīng)力增加，從而導(dǎo)致災(zāi)難化的后果。另一缺點(diǎn)則是需要對(duì)同步延遲時(shí)間進(jìn)行精確的控制。
在有源箝位專利技術(shù)到期之后，德州儀器公司又推出了新一代有源箝位控制器UCC289l-94，它以全新的高壓起動(dòng)技術(shù)，對(duì)應(yīng)高邊箝位、低邊箝位給出4款控制器。它適用于有源箝位的正激或反激變換器，是一款峰值電流型、固定頻率、高性能的脈寬調(diào)制器。其包含有對(duì)主功率及箝位M0SFET的驅(qū)動(dòng)，易于調(diào)整主輔輸出的延遲，其中UCC2891/93內(nèi)包含110 V高壓起動(dòng)源，還有內(nèi)部可凋的斜波補(bǔ)償、精密占空比限制、單電阻設(shè)置頻率或外同步、精密的線路UVLO，大幅度地減少了外部元件。
1 UCC2891的內(nèi)部功能框圖及引腳功能
UCC2891-94內(nèi)部功能方框圖如圖1所示。
采用UCC2891設(shè)計(jì)了一個(gè)輸入電壓48V，輸出3.3 V/30 A，次級(jí)采用同步整流的正激變換器。其原理圖如圖2所示。主電路如圖3所示。
UCC289l的引腳功能如下。
RDEL(腳1) 此端內(nèi)部連接一個(gè)大約2.5V的直流源。用電阻RDEL接到CND(腳6)，可為UCC2891控制器設(shè)置兩個(gè)開關(guān)的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的延遲。對(duì)OUT(腳13)關(guān)斷、AUX(腳14)開通或AUX(腳14)關(guān)斷、OUT(腳13)開通的轉(zhuǎn)換時(shí)間都相等。延遲時(shí)間tDEL的定義如下。
延遲時(shí)間的正確選擇可參考有源箝位功率轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)。
RTON(腳2) 此端內(nèi)部連接到一個(gè)大約2.5V直流源。將電阻RON連接到GND(腳6)，設(shè)置內(nèi)部定時(shí)電容的充電電流。RTON端連同RTOFF端(腳3)被用來設(shè)置工作頻率和UCC2891系列的最大工作占空比。
RTOFF(腳3) 此端內(nèi)部連接到一個(gè)大約2.5 V的直流源。將電阻ROFF連接到GND，設(shè)置內(nèi)部定時(shí)電容的放電電流。RTON和RTOFF端用來設(shè)置開關(guān)周期TSW和最大工作占空比DMAX，它們可用式(2)～式(5)計(jì)算。
VREF(腳4) 控制器的內(nèi)部5V的偏置源接到此端。此內(nèi)部偏置調(diào)整器需要一個(gè)高質(zhì)量的陶瓷旁路電容CVREF與CND相連接，這樣可以濾去噪聲并且為調(diào)整器電路提供補(bǔ)償。旁路電容CVREF的最小值為0.22μF，它受調(diào)整器的穩(wěn)定性的限制，最大旁路電容值可達(dá)到大約22μF。
VREF在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)限流并可以提供大約5mA的電流供給外部電路。當(dāng)發(fā)生欠壓鎖定(UVLO)時(shí)，使UCC2891控制器工作時(shí)有基準(zhǔn)可用，關(guān)于欠壓鎖定電路的功能參考功能描述部分。
SYNC(腳5) 此端為外時(shí)鐘信號(hào)輸入端，此時(shí)鐘信號(hào)可用來將控制器UCC2891系列的內(nèi)部振蕩器同步。同步頻率必須要比片上振蕩器的自由運(yùn)行頻率高，即TSYNC<TSW。同步信號(hào)可以接受的最小脈寬為50 ns(正極)，并且它必須要比時(shí)間(1-DMAX)TSYNC短，在這里DMAX由RON和ROFF決定。如果同步信號(hào)的脈寬保持在這些限制之內(nèi)，最大的工作占空比仍象RON和ROFF的比率一樣有效。在自由振蕩和外同步模式工作時(shí)，DMAX相同。如果同步信號(hào)的脈寬超過(1-DMAX)TSYNC，最大工作占空比將由同步脈寬來決定。
GND（腳6） 此端為UCC2891內(nèi)部所有小信號(hào)控制電路提供一個(gè)參照電平。
CS(腳7) 此端直接輸入到PWM和控制器UCC2891系列的電流限制比較器。CS端從來都不可以直接連接到功率轉(zhuǎn)換器的電流采樣電阻RCS上。在電流采樣電阻和CS端之間加入一個(gè)小型通用的RC濾波器，這對(duì)于調(diào)節(jié)片上斜率補(bǔ)償電路的正常工作和保護(hù)連接到CS端的功放晶體管都是必須的。
斜率補(bǔ)償通過一個(gè)流出CS端線性增長的電流經(jīng)RF來實(shí)現(xiàn)。斜率補(bǔ)償電流只出現(xiàn)在轉(zhuǎn)換器的主功率開關(guān)柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的導(dǎo)通期間。CS端的內(nèi)部下拉晶體管在定時(shí)電容放電期間被激活。間隔時(shí)間是(1-DMAX)TSW，并表示主功率開關(guān)確保關(guān)斷的時(shí)間。
RSLOPE(腳8) 此端與CND之間的電阻RSLOPE設(shè)置斜率補(bǔ)償電流的幅度。在主功率柵極驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通期間，RSLOPE上的電壓代表內(nèi)部定時(shí)電容的波形。隨著定時(shí)電容的充電，RSLOPE兩端的電壓也增大，引起電流波形的線性增長。為了斜率補(bǔ)償而供給CS端的電流與流過RSLOPE的電流是成正比的。
由于在RSLOPE端為高速交流電壓波形，要求接到RSLOPE端的外部電路元件的寄生電容和電感應(yīng)適當(dāng)?shù)販p小。
FB(腳9) 此端是UCC2891系列脈寬調(diào)制電壓的輸入端。由一個(gè)外部誤差放大器提供，它比較轉(zhuǎn)換器的輸出電壓和基準(zhǔn)電壓，并且用一個(gè)電壓調(diào)節(jié)電路來補(bǔ)償。通常，誤差放大器在隔離功率轉(zhuǎn)換器的次級(jí)處，并且輸出電壓通過一個(gè)光耦經(jīng)隔離送過來，因此FB端通常由一個(gè)光耦來驅(qū)動(dòng)。連接到VREF端一個(gè)外部上拉電阻作為反饋電路的一部分。
控制電壓在內(nèi)部被緩沖，并且通過一個(gè)分壓器接到PWM比較器上，它與電流檢測電路的信號(hào)電平是兼容的。FB端口可用的電壓范圍為從1.25V到4.5V。低于1.25V閾值的控制電壓會(huì)導(dǎo)致零占空比；高于4.5V的控制電壓會(huì)導(dǎo)致最大占空比DMAX。
SS/SD(腳10) 連接于此端與GND之間的電容Css決定了功率轉(zhuǎn)換器的軟起動(dòng)時(shí)間。軟起動(dòng)電容通過一個(gè)精密的內(nèi)部直流電流源充電，此內(nèi)部直流源由連接到腳2的RON電阻決定，軟起動(dòng)電流Iss定義如式(6)。
這個(gè)直流電流源給Css從O～5 V充電。在UCC2891系列控制器的內(nèi)部，軟起動(dòng)電容的電壓被緩沖，然后與FB端的控制電壓信號(hào)一起進(jìn)入一個(gè)或門。兩個(gè)電壓中較低的通過連接在FB端的分壓器來形成控制器的PWM的引擎。據(jù)此，SS端有用的控制電壓范圍與FB端的控制電壓范圍相接近，在1.25～4.5V之間。
PGNC(腳11) 此端為所有UCC2891系列的內(nèi)部大電流電路的專用連接端?？刂破鞯拇箅娏鞑糠职▋蓚€(gè)大電流柵極驅(qū)動(dòng)器和除了VREF之外的不同的偏置連接。當(dāng)PGND和GND在內(nèi)部被連接在一起時(shí)，也需要一個(gè)低阻抗的兩個(gè)地端的外部連接。推薦給小電流的動(dòng)作元件(RDEL，RON，ROFF，CVREF，CF，RSLOPE，CSS和前饋電路內(nèi)的光耦的發(fā)射極)構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的地。此獨(dú)立地應(yīng)當(dāng)與功率轉(zhuǎn)換器的其它的地(PGND)有一個(gè)單獨(dú)的連接，此連接應(yīng)當(dāng)在控制器的腳6與腳11之間。
AUX(腳12) 此端是輔助開關(guān)的大電流柵極驅(qū)動(dòng)輸出端，此輔助開關(guān)實(shí)現(xiàn)功率級(jí)有源箝位。UCC2891和UCC2892的輔助輸出端AUX作為箝制開關(guān)驅(qū)動(dòng)P溝道場效應(yīng)管，因此AUX端需要一個(gè)主動(dòng)的低電平工作(當(dāng)輸出為低電平時(shí)開關(guān)為開通狀態(tài))。UCC2893和UCC2894控制器是N溝道輔助開關(guān)的最佳選擇，因此該輔助開關(guān)提供傳統(tǒng)的主動(dòng)的高電平驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
OUT（腳13） 這個(gè)大電流輸出驅(qū)動(dòng)一個(gè)外部N道MOSFET。UCC2891系列內(nèi)部的每一個(gè)控制器都為轉(zhuǎn)換器的主功率開關(guān)提供高電平驅(qū)動(dòng)信號(hào)。由于這些輸出(AUX，OUT)是高速和大電流驅(qū)動(dòng)源，連接到這些輸出端的外部電路元件的寄生電感應(yīng)當(dāng)適當(dāng)?shù)刈钚』Ｔ跂艠O驅(qū)動(dòng)電路中避免不必要的寄生電感的一個(gè)潛在的方法就是在非常接近于MOSFET柵極的地方放置控制器IC，并且確保輸出(AUX，0UT)和MOSFET的柵極連接有較寬的線條。
VDD(腳14) VDD是為IC電路內(nèi)部大電流柵極驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)部5V偏置調(diào)整器和欠壓鎖定電路等幾部分供電的總電源端。為了減少偏置源上的開關(guān)噪音，一個(gè)高質(zhì)量的陶瓷電容CHF必須很接近地放在VDD端和PGND端來提供足夠的濾波。推薦CHF的值為lμF。但是它的值會(huì)受外部功率級(jí)的MOSFET參數(shù)的影響。
此外對(duì)于低阻抗高頻率的濾波，控制器的偏置源需要一個(gè)有足夠大的存貯能量的電容CBLAS用來并聯(lián)于CHF上。在開機(jī)期間，這個(gè)貯存能量的電容必須能提供使UCC2891運(yùn)行的保持時(shí)間(包括柵極驅(qū)動(dòng)電源要求)。在正常工作時(shí)，控制器必須從輔助繞組供電，關(guān)斷起動(dòng)用的晶體管，或通過一個(gè)輔助偏置源來供電。在輔助偏置源供電的情況，能量的貯存是由該偏置源的輸出電容提供的。
LINE UV(腳15) 欠壓鎖定功能的輸入電壓檢測端。電源供應(yīng)器的輸入電壓通過一個(gè)外部分壓器(RIN1，RIN2)來定出欠壓比較器的閾值電壓I.27 V。一旦超過線路監(jiān)視的輸入閾值，內(nèi)部電流源就被連接到LINEUV端。此電流發(fā)生器由連接于腳1的電阻RDEL調(diào)整，實(shí)際電流IHYST值由式(7)給出。
由于電流經(jīng)過分壓器的RIN2，欠壓鎖定的窗口閾值是線性監(jiān)視器電路的窗口并可以精密調(diào)節(jié)IHYST和RIN2的一個(gè)函數(shù)。
VIN(腳16)(只適用于UCC2891和UCC2893)UCC2891和UCC2893有一個(gè)高壓起動(dòng)源，P溝道的JFET從供應(yīng)轉(zhuǎn)換器的輸入電源啟動(dòng)開始工作，在這里輸入電壓不能超過啟動(dòng)晶體管的最大額定值llOV。在這些應(yīng)用中，VlN端可直接連接到輸入電源的正極。內(nèi)部JFET啟動(dòng)晶體管為連接于VDD和PGND的貯能電容提供一個(gè)大約15 mA的充電電流。當(dāng)VDD端上的電壓超過13.5V時(shí)，起動(dòng)部分立即被關(guān)斷，控制器的欠壓鎖定的入口開通。當(dāng)過大的柵極驅(qū)動(dòng)電流產(chǎn)生時(shí)，為保護(hù)IC不超出允許的功率損耗，JFET在器件正常工作后被禁止。
LINEOV(腳16) （只適用于UCC2892和UCC2894）在UCC2892和UCC2894控制器中沒有采用高壓起動(dòng)設(shè)備。腳16有一個(gè)不同的功能：它用來監(jiān)視輸入電源電壓，提供精確的過壓保護(hù)功能。電路實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)與欠壓鎖定功能監(jiān)視輸入電源的應(yīng)用技術(shù)相似。這允許實(shí)現(xiàn)一個(gè)精密閾值和只用一個(gè)端子的窗口比較器。電源供應(yīng)器的輸入電壓檢測值被限定為l.27 V，通過外部分壓器RIN3、RIN4的過壓保護(hù)比較器的閾值電是1.27 V。一旦超出線路監(jiān)視器的輸入電壓閾值，內(nèi)部電流源就會(huì)被連接到LINEOV端。電流發(fā)生器由連接于控制器的腳l的電阻RDEL控制，實(shí)際電流，IHYST值與式(7)給出。
隨著此電流流入輸入分壓器的RIN4，過壓保護(hù)的窗口閾值是線路監(jiān)視電路的窗口可精密調(diào)節(jié)的IHYST和RIN4的函數(shù)。
2 有源箝位的工作原理
由UCC2891構(gòu)成的有源箝位單端正激變換器的主電路如圖3所示。
參考文獻(xiàn)（3）和（4），將有源箝位分為8個(gè)階段，深入地研究了開關(guān)過程中的電流變換。以圖3為基礎(chǔ)，以低邊有源箝位為例子，在一個(gè)完整的開關(guān)周期t0~t4中，簡化描述出4個(gè)性質(zhì)不同的開關(guān)過程，分別如圖4～圖7所示。
2.1 t0~t1功率傳輸
如圖4所示，在此階段功率由主開關(guān)傳輸至二次側(cè)，此時(shí)S1導(dǎo)通，在此條件下剛好在ZVS條件下導(dǎo)通。因其體二極管先前已經(jīng)在導(dǎo)通狀態(tài)，初級(jí)電流通過S1，其中包括變壓器的磁化電流加上折算到二次側(cè)的輸出電流。在二次側(cè)，正向的同步整流SF導(dǎo)通，并且流過整個(gè)負(fù)載電流。在先前狀態(tài)，負(fù)載電流流過同步整流SR的體二極管，所以SF是硬開關(guān)狀態(tài)開啟損耗的。
2.2 tl→t2諧振狀態(tài)
如圖5所示，這是整個(gè)開關(guān)周期中出現(xiàn)的兩個(gè)諧振狀態(tài)的第一個(gè)，此狀態(tài)S1在ZVS狀態(tài)下關(guān)斷，初級(jí)電流仍舊連續(xù)地通過CCL流過D2，S2必須是P溝道MOSFET(對(duì)低邊箝位)，由于此時(shí)二次負(fù)載電流流過續(xù)流MOSFET。此時(shí)無折射到一次側(cè)的電流。所以僅有流過D2的電流為變壓器的磁化電流。因此S2體二極管損耗很小，并且給出了S2的ZVS狀態(tài)開啟的條件。S1關(guān)斷和S2開啟之間的延遲時(shí)間即諧振周期是已知的。
這是識(shí)別有源箝位同其它單端變壓器復(fù)位方式的主要方法。在二次側(cè)SF是在硬開關(guān)方式下關(guān)斷的，整個(gè)負(fù)載電流卻是通過DR的。對(duì)于大電流輸出的應(yīng)用，DR的導(dǎo)通損耗成為整個(gè)功耗的主要部分，這也是限制工作頻率進(jìn)一步提高的關(guān)鍵因素。當(dāng)然DR的導(dǎo)通對(duì)SR在ZVS狀態(tài)下開啟仍是必要的，雖然對(duì)于自偏置同步整流來說不可能去掉它，但仍要盡量減小DR的導(dǎo)通時(shí)間，令其接近于0。
2.3 t2→t3有源箝位
如圖6所示，這是有源箝位狀態(tài)，此時(shí)變壓器初級(jí)復(fù)位，雖然圖6的等效電路示出初級(jí)電流反轉(zhuǎn)，變壓器從正向至負(fù)向的電流流向?qū)嶋H都是鋸齒狀，當(dāng)磁化電流達(dá)到正向峰值時(shí)，又回到原狀態(tài)，從O反向升起。在初級(jí)側(cè)，S2現(xiàn)在在不同的輸入電壓VIN和箝位電容電壓值之間完全地導(dǎo)通且加到變壓器初級(jí)側(cè)，S2在磁化電流流過時(shí)會(huì)有很小的導(dǎo)通損耗。而在二次側(cè)SR則流過整個(gè)負(fù)載電流，有較高的導(dǎo)通損耗。
2.4 t3→t4諧振狀態(tài)
如圖7所示，這是一個(gè)完整周期中出現(xiàn)的第二次諧振狀念，在此狀態(tài)下，S2在ZVS狀態(tài)下關(guān)斷，初級(jí)電流仍然反向流動(dòng)，只不過是通過S1的體二極管D1，初級(jí)電流是負(fù)向的，但在此期間，此電流方向?qū)⒁崔D(zhuǎn)(已經(jīng)很小)。S1的體二極管開始導(dǎo)通，為S1的導(dǎo)通設(shè)置ZVS導(dǎo)通條件。而在二次側(cè)，DR剛好在導(dǎo)通狀態(tài)下讓SR關(guān)斷，因此SR在ZVS狀態(tài)下關(guān)斷。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，不可避免地因體二極管導(dǎo)通出現(xiàn)功耗。在t4完成時(shí)，開關(guān)周期又返回t0~t1狀態(tài)。
由上述分析可知，圖3電路主開關(guān)S1及輔助開關(guān)S2實(shí)現(xiàn)了零電壓(ZVS)切換。
3 UCC2891的應(yīng)用
UCC2891/3內(nèi)含llOV高壓起動(dòng)源；UCC2892/4則內(nèi)含輸人電壓監(jiān)視功能。芯片內(nèi)設(shè)計(jì)有斜坡補(bǔ)償、精密占空比控制、外同步等功能。
由UCC2893實(shí)現(xiàn)的反激變換器如圖8所示。
由UCC2891實(shí)現(xiàn)的正激變換器如圖9所示。
對(duì)箝位的輔助開關(guān)的高邊驅(qū)動(dòng)和低邊驅(qū)動(dòng)分別如圖10和圖11所示。
4 設(shè)計(jì)實(shí)例
如圖2所示為采用UCC2891設(shè)計(jì)的次級(jí)同步整流的正激變換器，變換器的技術(shù)指標(biāo)如表1所列。
5 結(jié)語
UCC2891控制IC，提供了有源箝位工作的各項(xiàng)控制功能，它的精確控制箝位占空比和同步延遲時(shí)間技術(shù)，將有源箝位技術(shù)提高到一個(gè)新的水平。由它實(shí)現(xiàn)的100 W單端正激變換器達(dá)到了較高的技術(shù)指標(biāo)。在有源箝位技術(shù)專利到期的今天，它的出現(xiàn)，必將為有源箝位技術(shù)在中小功率單端變換器的應(yīng)用產(chǎn)生很大的推進(jìn)作用。
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