初級(jí)啟動(dòng)控制器UCC3960及其應(yīng)用

初級(jí)啟動(dòng)控制器UCC3960及其應(yīng)用

摘要：介紹了用于單端變換拓?fù)涞某跫?jí)啟動(dòng)控制器UCC3960的工作原理，并給出了一個(gè)典型應(yīng)用電路。

關(guān)鍵詞：初級(jí)啟動(dòng)控制；自由振蕩器；同步；脈沖邊緣傳輸

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0??? 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(dòng)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(shí)現(xiàn)遙控、遙測(cè)、遙信功能的電路較復(fù)雜；在實(shí)現(xiàn)多電源N＋1冗余式均流供電方面難度較大；同時(shí)初級(jí)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(dòng)態(tài)響應(yīng)難以有大的提高。因此，采用次級(jí)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。

??? TI推出的初級(jí)啟動(dòng)控制芯片UCC3960，可為次級(jí)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(jí)PWM控制電路，尤其適用于會(huì)出現(xiàn)過流情況的系統(tǒng)。次級(jí)控制的輸出電壓采樣、電流檢測(cè)，直接與PWM級(jí)參考地相連，這是對(duì)電源功率變換技術(shù)的發(fā)展。

??? PWM控制信號(hào)可以通過簡單、低成本的隔離脈沖變壓器傳遞到初級(jí)功率開關(guān)上。次級(jí)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(shí)現(xiàn)。同時(shí)可以消除由于光耦器件或驅(qū)動(dòng)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。

圖1??? UCC3960控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.1??? 引腳描述

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

??? 腳2FB（反饋）??? 來自脈沖變壓器次級(jí)的上升沿啟動(dòng)/下降沿關(guān)斷的脈沖寬度控制信號(hào)輸入端。該信號(hào)用于控制初級(jí)開關(guān)管的導(dǎo)通與截止，其幅值最小應(yīng)為V_ss±2.0V，最大為V_ss±7.0V，脈寬在25ns與200ns之間，V_ss為腳SS上的電壓。

??? 腳3RT（定時(shí)電阻）??? 該腳與地之間連接一個(gè)電阻，以設(shè)定啟動(dòng)振蕩器的自由振蕩頻率，f_s=。R_T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(duì)外部負(fù)載提供10mA電流，同時(shí)也是內(nèi)部邏輯參數(shù)設(shè)置的基準(zhǔn)，該腳對(duì)地必須接一個(gè)最小為0.1μF的旁路電容。

??? 腳5CS（電流傳感）??? 這是一個(gè)逐周電流脈沖采樣與過流采樣輸入端。當(dāng)該腳信號(hào)電壓幅值超過1.0V時(shí)觸發(fā)一個(gè)逐周限流信號(hào)，超過1.375V時(shí)關(guān)斷輸出，并使UCC3960進(jìn)入一個(gè)軟啟動(dòng)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(hào)的參考地。

??? 腳7OUT（輸出驅(qū)動(dòng)）??? 可提供驅(qū)動(dòng)N溝道MOS功率開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，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(dòng)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?yàn)檫^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(dòng)振蕩器

??? 啟動(dòng)振蕩器為IC提供時(shí)鐘，鋸齒波，同步信號(hào)以及其它時(shí)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(shí)，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(jì)時(shí)要注意次級(jí)的工作頻率，以便于對(duì)初級(jí)的同步。次級(jí)的工作頻率應(yīng)為初級(jí)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(dòng)

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

??? 本IC的軟啟動(dòng)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(shí)，軟啟動(dòng)被觸發(fā)，這時(shí)軟啟動(dòng)電容通過內(nèi)部5μA電流源（2ISS）放電，電容放電低于1.0V時(shí)，新的軟啟動(dòng)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(jí)。脈沖變壓器的次級(jí)要串入一個(gè)電容，用來對(duì)次級(jí)控制IC的PWM驅(qū)動(dòng)方波信號(hào)進(jìn)行微分，同時(shí)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(jí)脈沖邊緣檢測(cè)信號(hào)。變壓器的設(shè)計(jì)關(guān)系到系統(tǒng)的正常工作。

??? 當(dāng)次級(jí)驅(qū)動(dòng)方波的下降沿的第一個(gè)微分負(fù)脈沖關(guān)斷指令一旦被初級(jí)識(shí)別，UCC3960立即將PWM鎖存器復(fù)位，同步鎖存器（ S/DLATCH）置位。此時(shí)UCC3960的PWM驅(qū)動(dòng)交由次級(jí)控制。當(dāng)一個(gè)軟啟動(dòng)被觸發(fā)后，控制再返回到初級(jí)。如此重復(fù)。

1.2.4??? PWM

??? 在次級(jí)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(jí)控制IC的軟啟動(dòng)階段和次級(jí)控制IC的軟啟動(dòng)階段。當(dāng)初、次級(jí)控制IC結(jié)束軟啟動(dòng)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(gè)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(gè)軟啟動(dòng)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(gè)由UCC3960作為初級(jí)啟動(dòng)控制電路，UCC38C45作為次級(jí)控制電路的應(yīng)用實(shí)例。UCC3960提供電源正常啟動(dòng)輸出電壓以及電源正常啟動(dòng)后接受次級(jí)控制芯片反饋控制信號(hào)。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(hào)。脈沖信號(hào)通過脈沖變壓器T₂傳輸給UCC3960以控制初級(jí)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。

圖2??? UCC3960的應(yīng)用電路

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。

(a)??? 電路

(b)??? 波形

圖3??? 邊緣脈沖傳輸電路

??? 圖3電路中，C₁對(duì)PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)的方波進(jìn)行微分，取出占空比變化信息，同時(shí)隔離直流分量，防止磁芯飽和。R₁及R₂限制微分信號(hào)的電流，對(duì)信號(hào)的反沖振蕩予以衰減與阻尼。脈沖變壓器初次級(jí)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?

??? 一個(gè)實(shí)際的脈沖變壓器如圖4所示。

圖4??? 脈沖變壓器

??? 圖4中所用的磁環(huán)為Ferronics公司的J型鐵氧體材料，體積為5.84mm×3.05mm×3.05mm，型號(hào)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L_M=5.4μH。

??? 電阻R₁=300Ω，C₁=2700pF，R₂=200Ω。

3??? 結(jié)語

??? 初級(jí)啟動(dòng)次極控制直接對(duì)輸出電壓、電流檢測(cè)，方便了電源次級(jí)的各種保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)。是對(duì)開關(guān)電源控制技術(shù)的發(fā)展。