新型有源箝位软开关PWM控制器UCC289X的原理及应用

摘要：介绍了电流控制型芯片UCC289X的基本原理，设计出了基于该芯片的同步整流有源箝位正激变换器的实用电路。实验结果证明，该芯片具有较好的控制特性和稳定性。 关键词：UCC289X；脉宽调制；有源箝位；峰值电流控制 引言 UCC289X系列是德州仪器公司（TI）继UCC3580之后，于2003年推出的新型PWM控制器[1]。该系列产品包括UCC2891、UCC2892、UCC2893和UCC2894等，其中，UCC2891和UCC2892的辅助输出与主输出同相，用于驱动PMOS；UCC2893和UCC2894的辅助输出与主输出反相，用于驱动NMOS。UCC289X系列适用于有源箝位正激或反激变换器，可提供辅助简单编程的延时，获得适当的有源箝位操作，从而为原边的MOSFET器件提供零电压开关(ZVS)功能，降低变换器的开关损耗。软开关功能可使这些器件在高频下获得更高的效率，并通过降低电磁干扰(EMI)和射频干扰(RFI)及电源组件的损耗提高系统的整体可靠性。 基于TI第一代UCC3580有源箝位控制器，这4种新的控制器在改善性能的同时又减少了许多外接元器件。UCC289X系列有内部可编程的斜率补偿电路，精确的最大占空比限制以及内置定时电容的1MHz同步振荡器，并具有可编程的软起动和线路监视功能。此外，UCC2891与UCC2893还具有内部110V启动功能，简化了电路设计。 1 UCC289X的基本结构及主要特性 UCC289X系列芯片具有16引脚SOIC和小外形TSSOP两种封装形式。其引脚如图1所示，引脚说明见表1。UCC2892和UCC2894的脚16为输入过压检测端。UCC2891与UCC2893具有内部110V高压启动电路，其脚16（VDD）直接接输入电源端。 表1 UCC289X引脚说明 引 脚 名 称 功 能 1 RDEL 开通时延设置 2 RTON 定时电容充电时间设置 3 RTOFF 定时电容放电时间设置 4 VREF 基准电压 5 SYNC 外同步时钟输入 6 GND 参考地 7 CS 电流检测 8 RSLOPE 斜坡补偿 9 FB 反馈输入 10 SS 软启动 11 PGND 门极驱动地 12 AUX 辅助输出 13 OUT 主输出 14 VDD 工作电压（12V） 15 LINEUV 欠压锁定 16 VIN 芯片输入电压 图2是UCC289X的内部结构框图，主要包括基准电压电路、欠压锁定与软启动电路、同步电路、误差放大器、斜坡补偿电路和主从输出等。其主要特点如下。 图2 UCC289X内部结构框图 1）采用峰值电流控制模式，并具有逐个周期电流限制功能 UCC2891和UCC2893脚7（CS）的门限电压是0.75V，UCC2892和UCC2894的是1.27V。脚7经RC滤波电路接电流检测电阻。当脚7检测到过流时，芯片内部的滞环比较器输出高电平，使SR触发器复位，主输出关闭，从而对电路进行保护。 2）集成可编程死区时间控制的%26;#177;2A门极驱动器 用户可通过接在芯片脚1的RDEL实现对门极驱动信号开通时延的控制，RDEL=(tDEL－50%26;#215;10－9)%26;#215;0.87%26;#215;1011。 UCC289X的主、辅输出拉、灌电流都可达2A，因此，可快速开关主、辅开关管。 3）UCC2891与UCC2893具有内部110V高压启动电路 UCC2891与UCC2893的脚16（VDD）直接接至输入电源端，芯片内部的欠压锁定电路监视VDD电压。启动时，芯片内部的JFET开通，为储能电容CBIAS和CHF充电，充电电流近15mA。当VDD上升到欠压锁定开启阈值13V时，芯片内部的其他电路开始工作，驱动门极上出现信号，JFET立即关断，偏置电压转由自举绕组提供。 4）具有可编程最大占空比控制的1MHz同步振荡器 UCC289X系列设有同步输入端（脚5），用于令振荡器与系统时钟同步，从而可以限制变换器的最大占空比，如图3所示。通常情况下芯片主输出的最大脉宽由定时电容的充电时间限制。采用同步功能时，同步信号的上升沿使定时电容停止充电，并开始放电。一旦定时电容的电压下降至预先设定的阈值，新的充电周期自动开始。这种同步方法使定时电容的充放电过程不再受变换器工作模式的影响，从而保持了变换器的最大占空比。 5）可编程内部斜坡补偿功能 用户可通过接在脚7的RF和接在8脚的RSLOPE对电路进行斜坡补偿。 6）可编程软启动功能 UCC289X内部具有一精确的DC电流源，用户可通过脚2的外接电阻RON控制软启动电流，即ISS=%26;#215;0.43A。 7）准确的输入欠压与过压传感阈值 UCC289X通过脚15即可实现输入欠压滞环控制。输入欠压时，箝位电容放电（见图4）。当输入低于欠压锁定关断阈值8V时，主输出驱动脉冲闭锁，辅助输出端仍有脉冲输出，软启动电容CSS缓慢放电。随着辅助输出端脉宽的增大，箝位电压逐渐减小，从而实现了欠压保护功能。UCC2892和UCC2894没有高压启动装置，其脚16用于提供过压保护功能。同样，用户通过脚15即可实现输入过压滞环控制。这是由于脚15的电压是对输入的分压，其输入过压关断阈值是1.27V。当脚15检测到其输入高于1.27V时，主输出停止工作，同时软启动电容CSS缓慢放电。当CSS为0.5V，过压消失后，电路通过软启动恢复正常工作。 图4 输入欠压锁定关断波形和输入过压保护 2 UCC289X的应用 UCC289X适用于中小功率的低压大电流通信电源，如服务器、数据通信转接器、遥控设备及DSP、ASIC等。 图5所示为采用控制芯片UCC2891设计的100W同步整流有源箝位正激变换电路。电路的试验参数如下：输入电压48V，输出电压3.3V，输出电流30A，开关频率300kHz，最大占空比设为0.65。其中，主开关采用N沟道MOSFET(Q1)，箝位开关采用P沟道MOSFET(Q2)，主副开关间的死区时间由脚1的外接电阻RDEL控制。T1是主变压器，CCL是箝位电容。为使电流检测端的功耗最小，采用电流检测变压器T2。副边采用同步整流技术，Q3和Q4是相应的同步整流管。与以往通过主变压器的辅助绕组获得偏置电压的方式不同，本文利用输出滤波电感LO的耦合电感作为原边控制芯片的偏压绕组，从而既可以为芯片提供稳定的偏压，又避免了采用常规线性调节器时产生的功耗。线性光耦SFH690BT与可调式并联稳压器TLV431将输出反馈至芯片的FB端。 图5 采用UXX2891实现的同步整流有源箝位正激变换器电路 设置合适的时延可使主从开关都具有ZVS开通条件。UCC2891的脚1（DELAY）专门用于控制OUT与AUX间的时延。图6给出了两个时延间的比值。在主开关向辅助开关过渡的过程中，时延对于ZVS条件并不十分关键。在OUT关断过程的前半部分，辅助开关的体二极管导通，因此，AUX可以在此后的任何时刻实现ZVS开通。辅助开关向主开关的过渡则更为关键。AUX脉宽结束时寄生电感中的能量可用于在延时期间对主开关管的寄生电容放电。时延（Delay1）应为寄生电感和寄生电容决定的谐振周期的1/4。但是由于电路其他寄生参数的影响，谐振可能会有所改变，使得某些情况下无法实现ZVS开通。可以看出，在特定的电路里，最合适的时延取决于工作条件。故应具体问题具体对待。 试验结果表明，在整个输入及负载变化范围内，输出电压波动范围在4mV(0.1％)以内。此电路可实现满载到空载的调解，在相当宽的工作电压范围内，变换器的效率在90％以上，如图7所示。 图7 变换器的效率曲线 3 结语 将UCC2891应用于100W同步整流有源箝位正激变换电路中，试验结果证明了该芯片具有较好的控制特性和稳定性。