初級啟動(dòng)控制器UCC3960及其應用
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關(guān)鍵詞：初級啟動(dòng)控制；自由振蕩器；同步；脈沖邊緣傳輸
引言
隨著(zhù)信息技術(shù)與集成電路技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)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。在傳統的單端（含正激與反激式）PWM/PFM控制方式中，電源與遠端實(shí)現遙控、遙測、遙信功能的電路較復雜；在實(shí)現多電源N＋1冗余式均流供電方面難度較大；同時(shí)初級控制受到電源控制環(huán)路的非線(xiàn)性、延遲方面的限制，以及無(wú)法緊密耦合監控輸出電流的變化，從而使動(dòng)態(tài)響應難以有大的提高。因此，采用次級控制的開(kāi)關(guān)電源控制技術(shù)，開(kāi)始在小功率單端變換器上得到了應用。
圖1 UCC3960控制器內部結構
TI推出的初級啟動(dòng)控制芯片UCC3960，可為次級PWM控制的，單端隔離的開(kāi)關(guān)模式變換器提供所有的原邊所需功能。它可以廣泛應用于次級PWM控制電路，尤其適用于會(huì )出現過(guò)流情況的系統。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(guò)簡(jiǎn)單、低成本的隔離脈沖變壓器傳遞到初級功率開(kāi)關(guān)上。次級控制有利于監控具有緊密耦合的，模擬控制環(huán)路的系統負載。使輸出電流均流，輸出同步整流更容易實(shí)現。同時(shí)可以消除由于光耦器件或驅動(dòng)變壓器參數的變化而造成環(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(dòng)）該腳提供初級軟啟動(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提供反饋信號的脈沖變壓器的返回端。
腳2FB（反饋）來(lái)自脈沖變壓器次級的上升沿啟動(dòng)/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(kāi)關(guān)管的導通與截止，其幅值最小應為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的應用電路
腳4VREF（電壓基準）5V基準電壓可對外部負載提供10mA電流，同時(shí)也是內部邏輯參數設置的基準，該腳對地必須接一個(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(guò)流采樣輸入端。當該腳信號電壓幅值超過(guò)1.0V時(shí)觸發(fā)一個(gè)逐周限流信號，超過(guò)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）所有模擬信號的參考地。
腳7OUT（輸出驅動(dòng)）可提供驅動(dòng)N溝道MOS功率開(kāi)關(guān)管的驅動(dòng)信號，最大上拉電流1.5A，灌電流0.75A。開(kāi)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動(dòng)電路提供能量。其內接一17.5V的穩壓管用以保護內部器件，避免因為過(guò)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，同步信號以及其它時(shí)序管理。圖1中的電容CT約為58pF。當腳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％。
電路設計時(shí)要注意次級的工作頻率，以便于對初級的同步。次級的工作頻率應為初級自由振蕩頻率的1.11倍，即在67kHz～400kHz的范圍之內。
在腳SS與腳GND之間接一電容器，由一7μA的內部電流源對軟啟動(dòng)電容充電，可以實(shí)現軟啟動(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。由圖1可見(jiàn)，CS電流傳感端的電壓閾值超過(guò)1.375V時(shí)，軟啟動(dòng)被觸發(fā)，這時(shí)軟啟動(dòng)電容通過(guò)內部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(kāi)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(gè)電容，用來(lái)對次級控制IC的PWM驅動(dòng)方波信號進(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之間設定了2V的死區，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。變壓器的設計關(guān)系到系統的正常工作。
當次級驅動(dòng)方波的下降沿的第一個(gè)微分負脈沖關(guān)斷指令一旦被初級識別，UCC3960立即將PWM鎖存器復位，同步鎖存器（S/DLATCH）置位。此時(shí)UCC3960的PWM驅動(dòng)交由次級控制。當一個(gè)軟啟動(dòng)被觸發(fā)后，控制再返回到初級。如此重復。
1.2.4 PWM
在次級PWM正常工作以前，系統的PWM控制器由UCC3960進(jìn)行控制，包括初級控制IC的軟啟動(dòng)階段和次級控制IC的軟啟動(dòng)階段。當初、次級控制IC結束軟啟動(dòng)均進(jìn)入工作狀態(tài)后，系統進(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)閾值為系統提供更安全的過(guò)流保護。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 典型應用
2.1 應用電路
圖2所示電路介紹了一個(gè)由UCC3960作為初級啟動(dòng)控制電路，UCC38C45作為次級控制電路的應用實(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，根據輸出電壓的變化提供不同寬度的脈沖信號。脈沖信號通過(guò)脈沖變壓器T2傳輸給UCC3960以控制初級開(kāi)關(guān)管的工作，即脈沖上升沿開(kāi)通開(kāi)關(guān)管，下降沿關(guān)斷開(kāi)關(guān)管。
2.2 脈沖邊沿傳輸電路
脈沖邊緣傳輸電路應具有正確的頻率響應與很高的阻尼（低品質(zhì)因數Q值），以防止過(guò)沖。電路典型波形如圖3所示。
圖3電路中，C1對PWM驅動(dòng)信號的方波進(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比應為1：1，這樣有利于提高脈沖變壓器傳輸的信噪比。
一個(gè)實(shí)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。
脈沖變壓器參數為
N1=N2=4匝，為了保證隔離電壓，采用三層絕緣線(xiàn)繞制，電感量LM=5.4μH。
電阻R1=300Ω，C1=2700pF，R2=200Ω。
3 結語(yǔ)
初級啟動(dòng)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功能的實(shí)現。是對開(kāi)關(guān)電源控制技術(shù)的發(fā)展。
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