先進的PFC/PWM組合控制器UCC28510系列及其應用電

摘要：介紹了PFC/PWM組合控制器UCC28510系列的主要特點及其應用電路設計程序。

關(guān)鍵詞：PFC/PWM組合集成電路；UCC28510系列；應用電路；設計

1 引言

德州儀器（TI）公司新推出的UCC28510系列PFC/PWM組合控制器，含有8個型號（從UCC28510到UCC28517）。這些控制器PFC級和PWM級柵極驅(qū)動源電流和阱電流，由先前同類器件的0.3～1.5A分別增加到2A和3A，從而使離線式開關(guān)電源（SMPS）的功率提高到300W以上。該功率等級屬于業(yè)界真正要求的嚴格限制諧波含量的SMPS功率范疇。

由于UCC28510系列PFC/PWM組合控制器在設計上有許多創(chuàng)新，在通用AC線路輸入（85～265V）和負載范圍內(nèi)，電流諧波含量完全符合ICE1000-3-2標準要求，線路功率因數(shù)非常接近于1。同時，PFC升壓變換器輸出紋波電流明顯減小，系統(tǒng)瞬態(tài)響應得到提高。與先前的PFC/PWM組合控制器比較，采用該系列控制器可使SMPS系統(tǒng)電路進一步簡化，從而有助于降低系統(tǒng)成本，節(jié)省空間，提高系統(tǒng)功率密度和可靠性。

2 主要特點

UCC28510系列控制器具有以下幾方面的特點。

1）采用20引腳PDIP或20引腳SOICW封裝（功率耗散分別為1W和0.7W），工作結(jié)溫范圍為－50℃～150℃。

2）將連續(xù)傳導模式（CCM）平均電流型控制PFC控制器和峰值電流模式PWM級電路集成在同一芯片上，設計新穎，結(jié)構(gòu)緊湊，如圖1所示。

3）PFC控制器中的三輸入高度線性化的乘法器和跨導（gm）電壓誤差放大器大大地提高了電路的瞬變響應。

4）PWM控制器最大占空比可編程設定，并且開關(guān)頻率f_PWM可以與f_PFC相同，也可以選擇f_PWM=2f_PFC，具體如表1所列。

5）為了減小PFC升壓預調(diào)節(jié)器輸出電容器上的紋波電流，PFC和PWM級分別采用前沿調(diào)制和后沿調(diào)制。圖2示出了UCC28510系列脈沖前沿/后沿調(diào)制（LEM/TEM）控制器與傳統(tǒng)后沿/后沿調(diào)制（ TEM/TEM）PFC與PWM組合控制器在能量貯存電容器（C_ES）上的電流（i_ES）對比。

圖1 UCC28510系列PFC/PWM控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖2 前沿/后沿調(diào)制（LEM/TEM）紋波電流與后沿/后沿調(diào)制（TEM/TEM）比較

此外，UCC28510系列PFC/PWM組合控制器還具有可編程軟啟動，PFC輸入電壓前饋控制，峰值電流和功率限制，零功率檢測和過電壓保護等特征。

表1 UCC28510系列ICs之間的主要不同點

3 應用電路及設計

3.1 應用電路

UCC2851X作為控制器的PFC升壓預變換器與回掃（反激）式PWM功率級SMPS電路如圖3所示。圖中，UCC2851X（U₁）中的PFC控制器、升壓電感器L₁、PFC開關(guān)（Q₁）、升壓二極管D3和輸出電容器C₁等，組成有源PFC升壓預變換器。R₃和R₄組成的電阻分壓器用作PFC變換器DC輸出電壓（400V）檢測，感測信號通過U₁的腳3輸入到內(nèi)部以7.5V為參考的誤差放大器。正比于整流電壓的電流信號經(jīng)電阻R₁和U₁的IAC腳（腳18）輸入到內(nèi)部乘法器，以保證整流器（D₁）輸入端的AC電流跟蹤AC線路電壓瞬時變化軌跡。電阻R2是PFC級電流感測元件。R₂上感測的電壓信號分別經(jīng)U₁腳16（ISENSE1）和腳14（PKLMT）輸入到內(nèi)部電流放大器和PFC電流限制比較器，以履行PFC級PWM脈沖占空比控制和峰值電流控制。

圖3 UCC2851X典型應用電路

R₆和C₃是U₁啟動元件。當U₁被啟動Q₁開始開關(guān)之后，變壓器T₁的輔助繞組、二極管D₅和電容C₃組成的電源電路為U₁提供工作電壓（和電流）。U₁腳2（RT）外部電阻R₂₀用作設定振蕩器頻率。

U₁腳4外部R₁₆和R₁₉組成的電阻分壓器，用作編程PWM最大占空比。電阻R₅為PWM級電流感測元件。R₂上感測的電壓信號經(jīng)U₁腳8（ISENSE2）輸入，以履行峰值電流限制。U₁腳13（SS2）外部電容C₅，用作編程PWM級柵極驅(qū)動軟啟動持續(xù)時間。SMPS次級DC輸出到初級的反饋環(huán)路，由電阻分壓器、作為誤差放大器使用的U₃（TL431）和光耦合器U₂組成。U₁的腳7（VERR）接收反饋信號，以控制PWM占空比。

3.2 主要元件參數(shù)確定的方法

3.2.1 設計程序

設計程序參考圖3所示的應用電路。首先選擇UCC28510系列ICs中的一種控制器，再按以下步驟進行設計：

1）功率級元器件；

2）PFC級控制元件；

3）PWM級控制元件。

元件的確定必須根據(jù)給定的技術(shù)條件，具體包括系統(tǒng)輸出電壓V_OUT、輸出功率P_OUT和AC線路電壓V_AC范圍。其它的技術(shù)要求有效率和允許的電流諧波等。

3.2.2 確定相關(guān)參數(shù)

1）PFC級最小占空比D_1（min)

PFC升壓變換器在CCM下操作，最小占空比由最低AC線路電壓V_AC(min)和PFC輸出存儲電容C₁上的電壓V_C1決定。

D_1(min)=1－（1）

2）確定調(diào)節(jié)常數(shù)K_1R

能量存儲電壓的調(diào)節(jié)常數(shù)K_1R由式（2）確定。

K_1R=（2）

式中：PWM導通參考是6.75V，PWM滯后為1.45V或3.2V，V_REF=7.5V。因此可得

K_1R=0.29（對應UCC28510/28511/28514/28515）；

K_1R=0.53（對應UCC28512/28513/28516/28517）。

3）最低能量存儲電壓V_C1(min)

C₁上的最低能量存儲電壓V_C1(min)由K_1R和正常狀態(tài)下C₁上的電壓V_C1(nom)決定。

V_C1(min)=(1－K_1R)·V_C1(nom)(3)

4）編程PWM級開關(guān)頻率f_s(PWM)

用U₁腳RT外部電阻R₂₀設定f_s(PWM)

R₂₀=（4）

推薦R₂₀=45～500kΩ。

3.2.3 元器件的確定

1）功率級元器件

在圖3所示的電路中，功率級元器件包括C₁～C₃、D₁～D₅、L₁、R₁、Q₁、Q₂和T₁。因篇幅所限，PWM功率級元器件Q₂、D₄、D₅、C₂和變壓器T₁不在此討論。在PFC級元器件C₁、C₃、D₁～D₃和Q₁中，除C₁因PFC/PWM同步化要求需要討論外，其它元器件選擇方法在固定頻率PFC設計中都有介紹，故也不再涉及。

（1）升壓電感器L₁

PFC升壓電感器L₁可利用式（5）計算。

L₁=（5）

式中：T_S(PFC)為開關(guān)周期；

P_IN為輸入功率；

K_RF=Δi_L1(p-p)/i_L1(max)=0.2～0.3，為紋波因數(shù)。

（2）電流傳感電阻R₂和PFC峰值電流限制編程電阻R₁₇與R14PFC級電流感測電阻R₂可由式（6）確定。

R₂=（6）

在式（6）中，R₂操作動態(tài)范圍V_DYNAMIC圍繞1V，i_L1(max)=P_IN/V_AC(min)。

UCC2851X腳PKLMT外部電阻分壓器R₇與R₁₄用作編程過電流門限電壓。R₁₄可圍繞10kΩ選擇，R₇與R₁₄之間關(guān)系如下。

=（7）

（3）電容器C₁

PFC升壓變換器輸出電容器C₁的選擇必須保證要求的支持（hold-up）時間t_HU，其容值由式（8）確定。

C₁=（8）

C₁還必須能經(jīng)受住有效值紋波電流I_C1(rms)。

I_C1(rms)取決于開關(guān)Q₂的電流I_Q2、占空比D_2(nom)、V_C1(nom)和V_AC(min)。

（9）

I_C1(rms)與I_Q2之比率可以從UCC2851X的相關(guān)曲線上查出。

（4）PWM級電流感測電阻R₅

UCC2851X腳8內(nèi)部峰值電流限制比較器的輸入門限電壓V_TH為1.3V，R₅可按式（10）計算。

R₅=V_TH(1.3V)/i_Q2(peak)（10）

2）PFC級控制元件

（1）乘法器動態(tài)范圍設定

乘法器動態(tài)范圍依賴于PFC/PWM組合控制器IAC、VAOUT和VFF腳上的電流或電壓。這幾個參數(shù)的限制條件如下：

0≤i_IAC(t)≤500μA（11）

0≤V_VOUT(t)≤5V

1.4V≤V_VFF≤V_REF－1.4V

相關(guān)元件的選擇如表2所列。

表2 乘法器相關(guān)元件計算公式

（2）PFC電流環(huán)路控制元件

在U₁的電流放大器輸出（腳15）與電流放大器反相輸入端（腳17）之間，在外部連接由C₇和C₆、R₁₃組成的補償網(wǎng)絡。R₁₃用作設定在交叉頻率f_CO(PFC)上補償器增益，選擇C₆在交叉頻率上設置一個零點，C₇用作在開關(guān)頻率 f_S(PWM)的1/2處提供一個極點。這三個元件的計算公式如表3所列。

表3 PFC電流環(huán)路控制元件計算公式

3）PWM級控制元件

U₁腳4外部電阻R₁₆和R₁₉，用作設定最大占空比D_PWM(max)，以防止變壓器飽和。R₁₆與R₁₉之比由式（12）確定。

=－1（12）

當腳4上電壓為V_DX時，最大占空比D_PWM(max)可由式（13）計算。

D_PWM(max)=(0.26－4.4×10^－8f_s)V_DX＋6.9×10^－8f_s－0.31（13）

當V_DX=4.15V時，D_PWM(max)=（75±5）％。它比PFC級最大占空比D_PFC(max)〔95±5）％〕小一些。

4）元器件選擇舉例

對于圖3所示的應用電路，若AC輸入范圍為85～265V，PFC級電路DC輸出電壓是400V，輸出功率為100W，U₁選用UCC28517（f_PFC=1/2f_PWM），V_CC腳電源12V，PFC級和變壓器初級PWM級電路主要元器件的選擇如下：

（1）功率器件和磁性元件

Q₁和Q₂選用IRFP450型MOSFET，D₁選用PB66全橋整流器，D₂選用G1756二極管，D₃選用HFA08TB60快速恢復二極管。升壓電感器L₁電感值為1.7mH，變壓器T₁選用PB2039。

（2）阻容元件

主要阻容元件數(shù)值如表4所列。

表4 阻容元件的選擇