初級啟動控制器UCC3960及其應(yīng)用

關(guān)鍵詞：初級啟動控制；自由振蕩器；同步；脈沖邊緣傳輸

引言

隨著信息技術(shù)與集成電路技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)電源技術(shù)逐漸向智能化、小型化、低壓大電流分布式、N＋1冗余式供電發(fā)展，并要求其具有更高的動態(tài)響應(yīng)。在傳統(tǒng)的單端（含正激與反激式）PWM/PFM控制方式中，電源與遠(yuǎn)端實現(xiàn)遙控、遙測、遙信功能的電路較復(fù)雜；在實現(xiàn)多電源N＋1冗余式均流供電方面難度較大；同時初級控制受到電源控制環(huán)路的非線性、延遲方面的限制，以及無法緊密耦合監(jiān)控輸出電流的變化，從而使動態(tài)響應(yīng)難以有大的提高。因此，采用次級控制的開關(guān)電源控制技術(shù)，開始在小功率單端變換器上得到了應(yīng)用。

圖1 UCC3960控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

TI推出的初級啟動控制芯片UCC3960，可為次級PWM控制的，單端隔離的開關(guān)模式變換器提供所有的原邊所需功能。它可以廣泛應(yīng)用于次級PWM控制電路，尤其適用于會出現(xiàn)過流情況的系統(tǒng)。次級控制的輸出電壓采樣、電流檢測，直接與PWM級參考地相連，這是對電源功率變換技術(shù)的發(fā)展。

PWM控制信號可以通過簡單、低成本的隔離脈沖變壓器傳遞到初級功率開關(guān)上。次級控制有利于監(jiān)控具有緊密耦合的，模擬控制環(huán)路的系統(tǒng)負(fù)載。使輸出電流均流，輸出同步整流更容易實現(xiàn)。同時可以消除由于光耦器件或驅(qū)動變壓器參數(shù)的變化而造成環(huán)路增益變化的因素。

1 工作原理

UCC3960的原理框圖如圖1所示。

1.1 引腳描述

腳1SS（軟啟動）該腳提供初級軟啟動功能。其外接電容在電源啟動時決定了控制脈沖寬度的上升斜率。同時，該腳也是給腳2FB提供反饋信號的脈沖變壓器的返回端。

腳2FB（反饋）來自脈沖變壓器次級的上升沿啟動/下降沿關(guān)斷的脈沖寬度控制信號輸入端。該信號用于控制初級開關(guān)管的導(dǎo)通與截止，其幅值最小應(yīng)為Vss2.0V，最大為Vss7.0V，脈寬在25ns與200ns之間，Vss為腳SS上的電壓。

圖2 UCC3960的應(yīng)用電路

腳3RT（定時電阻）該腳與地之間連接一個電阻，以設(shè)定啟動振蕩器的自由振蕩頻率，fs=(8.010 9）/Rr。RT阻值在133kΩ與22.2kΩ之間，可產(chǎn)生的振蕩頻率在60kHz與360kHz之間。

腳4VREF（電壓基準(zhǔn)）5V基準(zhǔn)電壓可對外部負(fù)載提供10mA電流，同時也是內(nèi)部邏輯參數(shù)設(shè)置的基準(zhǔn)，該腳對地必須接一個最小為0.1μF的旁路電容。

腳5CS（電流傳感）這是一個逐周電流脈沖采樣與過流采樣輸入端。當(dāng)該腳信號電壓幅值超過1.0V時觸發(fā)一個逐周限流信號，超過1.375V時關(guān)斷輸出，并使UCC3960進(jìn)入一個軟啟動周期。該腳容易受到噪聲干擾，最好在該腳與電流傳感器間加一RC低通濾波網(wǎng)絡(luò)。

腳6GND（地）所有模擬信號的參考地。

腳7OUT（輸出驅(qū)動）可提供驅(qū)動N溝道MOS功率開關(guān)管的驅(qū)動信號，最大上拉電流1.5A，灌電流0.75A。開關(guān)管關(guān)斷期間該腳自偏置為低電平。

腳8VDD（供電電源）為芯片控制電路與柵極驅(qū)動電路提供能量。其內(nèi)接一17.5V的穩(wěn)壓管用以保護(hù)內(nèi)部器件，避免因為過壓損壞。該腳必須外加電流限制電阻。

1.2 主要功能描述

1.2.1 啟動振蕩器

啟動振蕩器為IC提供時鐘，鋸齒波，同步信號以及其它時序管理。圖1中的電容CT約為58pF。當(dāng)腳RT與腳GND之間接入133.3kΩ～22.2kΩ的電阻時，自由振蕩頻率的變化范圍為60kHz～360kHz，占空比為72％～70％。

電路設(shè)計時要注意次級的工作頻率，以便于對初級的同步。次級的工作頻率應(yīng)為初級自由振蕩頻率的1.11倍，即在67kHz～400kHz的范圍之內(nèi)。

1.2.2 軟啟動

在腳SS與腳GND之間接一電容器，由一7μA的內(nèi)部電流源對軟啟動電容充電，可以實現(xiàn)軟啟動，這時占空比從0％逐漸上升到最大占空比72％。

本IC的軟啟動還提供了多種保護(hù)。由圖1可見，CS電流傳感端的電壓閾值超過1.375V時，軟啟動被觸發(fā)，這時軟啟動電容通過內(nèi)部5μA電流源（2ISS）放電，電容放電低于1.0V時，新的軟啟動周期重新開始。

1.2.3 同步

腳SS與腳FB共同接到脈沖變壓器的初級。脈沖變壓器的次級要串入一個電容，用來對次級控制IC的PWM驅(qū)動方波信號進(jìn)行微分，同時也可防止變壓器磁芯的飽和。

圖1中START與STOP比較器分別有1V的閾值，從而在腳SS與腳FB之間設(shè)定了2V的死區(qū)，以防止脈沖變壓器的漏感可能產(chǎn)生的，假的次級脈沖邊緣檢測信號。變壓器的設(shè)計關(guān)系到系統(tǒng)的正常工作。

當(dāng)次級驅(qū)動方波的下降沿的第一個微分負(fù)脈沖關(guān)斷指令一旦被初級識別，UCC3960立即將PWM鎖存器復(fù)位，同步鎖存器（S/DLATCH）置位。此時UCC3960的PWM驅(qū)動交由次級控制。當(dāng)一個軟啟動被觸發(fā)后，控制再返回到初級。如此重復(fù)。

1.2.4 PWM

在次級PWM正常工作以前，系統(tǒng)的PWM控制器由UCC3960進(jìn)行控制，包括初級控制IC的軟啟動階段和次級控制IC的軟啟動階段。當(dāng)初、次級控制IC結(jié)束軟啟動均進(jìn)入工作狀態(tài)后，系統(tǒng)進(jìn)入閉環(huán)控制工作狀態(tài)。

2.2.5 電流傳感

UCC3960的電流傳感器有兩個閾值為系統(tǒng)提供更安全的過流保護(hù)。1V的閾值進(jìn)行逐周電流限制。1.375V的閾值關(guān)斷輸出，并使UCC3960進(jìn)入一個軟啟動周期。

2 典型應(yīng)用

2.1 應(yīng)用電路

圖2所示電路介紹了一個由UCC3960作為初級啟動控制電路，UCC38C45作為次級控制電路的應(yīng)用實例。UCC3960提供電源正常啟動輸出電壓以及電源正常啟動后接受次級控制芯片反饋控制信號。UCC38C45主要進(jìn)行輸出電壓的的采樣，根據(jù)輸出電壓的變化提供不同寬度的脈沖信號。脈沖信號通過脈沖變壓器T2傳輸給UCC3960以控制初級開關(guān)管的工作，即脈沖上升沿開通開關(guān)管，下降沿關(guān)斷開關(guān)管。

2.2 脈沖邊沿傳輸電路

脈沖邊緣傳輸電路應(yīng)具有正確的頻率響應(yīng)與很高的阻尼（低品質(zhì)因數(shù)Q值），以防止過沖。電路典型波形如圖3所示。

圖3電路中，C1對PWM驅(qū)動信號的方波進(jìn)行微分，取出占空比變化信息，同時隔離直流分量，防止磁芯飽和。R1及R2限制微分信號的電流，對信號的反沖振蕩予以衰減與阻尼。脈沖變壓器初次級的匝數(shù)比應(yīng)為1：1，這樣有利于提高脈沖變壓器傳輸?shù)男旁氡取?/P>

一個實際的脈沖變壓器如圖4所示。

圖4中所用的磁環(huán)為Ferronics公司的J型鐵氧體材料，體積為5.84mm3.05mm3.05mm，型號為11－622J。

脈沖變壓器參數(shù)為

N1=N2=4匝，為了保證隔離電壓，采用三層絕緣線繞制，電感量LM=5.4μH。

電阻R1=300Ω，C1=2700pF，R2=200Ω。

3 結(jié)語

初級啟動次極控制直接對輸出電壓、電流檢測，方便了電源次級的各種保護(hù)功能的實現(xiàn)。是對開關(guān)電源控制技術(shù)的發(fā)展。