ZVS移相全橋控制器UCC3895及其應用

　　1．引言： 

　　UCC3895芯片是Texaslnstruments公司生產(chǎn)的專(zhuān)用于PWM移相全橋DC／DC變換器的新型控制芯片。它在UC3875(79)系列原有功能的基礎上增加了自適應死區設置和PWM軟關(guān)斷能力，這樣就適應了負載變化時(shí)不同的準諧振軟開(kāi)關(guān)要求。同時(shí)由于它采用了BICMOS工藝，使得它的功耗更小，工作頻率更高，因而更加符合電力電子裝置高效率、高頻率、高可靠的發(fā)展要求。通過(guò)不同的外圍電路設置，既可工作于電壓模式，也可工作于電流模式，并且軟啟動(dòng)／軟停止可按要求進(jìn)行調節。

　　2．UCC3895芯片介紹

　　UCC3895芯片采用了20個(gè)引腳實(shí)現了以下功能：自適應死區時(shí)間設置；振蕩器雙向同步功能；電壓模式控制或電流模式控制；軟啟動(dòng)／軟關(guān)斷和控制器片選功能可編程；移相占空比控制范圍0％～100％；內置7MHz帶寬誤差放大器；最高工作頻率達到1MHz；工作電流低，500kHz下的工作電流僅為5mA；欠壓鎖定狀態(tài)下的電流僅為150μA。

　　UCC3895芯片是UC3875(79)系列芯片的升級，同后者相比，內部電路做了許多改進(jìn)，設計更為方便，性能有所增加。下面介紹其部分主要引腳功能：

　　EAP、EAN、EAOUT分別為誤差放大器的同相輸入端、反向輸入端和輸出端。

　　CS和ADS CS是電流檢測比較器的反相輸入端。內部接到電流測量比較器負輸入端和過(guò)流比較器正輸入端以及ADS放大器。電流測量信號用于實(shí)現峰值電流模式控制中的逐周期限流，及過(guò)流關(guān)閉輸出脈沖保護。過(guò)流關(guān)閉輸出脈沖會(huì )導致一個(gè)重新的軟啟動(dòng)過(guò)程。ADS是自適應死區時(shí)間設置，是該控制芯片新增的控制管腳，可設置最大和最小輸出死區時(shí)間之比值。CS端的電壓應限制在2.5V以下。當ADS與CS相連時(shí)，死區時(shí)間沒(méi)有自適應調節功能；當ADS直接接地時(shí)，死區時(shí)間調節范圍最大，此時(shí)，CS=0時(shí)的死區時(shí)間約為CS=2.0V(峰值電流限制值)時(shí)死區時(shí)間的4倍。當ADS接到CS和GND之間的電阻分壓器上時(shí)(見(jiàn)圖1)，VADS-VCS項減小，使VDEL也減小，即死區調節量減小。ADS通過(guò)式(1)改變腳DELAB和DELCD上的輸出電壓值VDEL，叫從而改變輸出死區。

　　式(1)中VADS必須限制在0V到2.5V且必須小于等于VCS。圖1給出與死區設置有關(guān)的電阻接線(xiàn)方法。

　　DELAB和DELCD兩引腳分別為兩路互補輸出端之間的死區時(shí)間設置。RDELAB通過(guò)DELAB端設置OUTA和OUTB之間的死區時(shí)間，RDELCD通過(guò)DELCD端設置OUTC和OUTD之間的死區時(shí)間。在該死區時(shí)間內，外部橋式變換器的功率器件實(shí)現諧振轉換。兩半橋允許不同的死區時(shí)間以適應不同的等效諧振電容充電電流。死區時(shí)間由式(2)決定：

　　DELAB和DELCD引腳上可輸出最大電流為1mA，應選擇電阻RDEL使其輸出電流不超過(guò)該值。

　　CT和RT CT接振蕩定時(shí)電容CT，RT外接振蕩定時(shí)電阻RT。振蕩器通過(guò)一個(gè)可調的電流對CT充電，充電電流由RT決定。CT上波形為鋸齒波，峰值約2.35V。振蕩周期由式(3)近似估算，CT可從100pF到880pF，RT的阻值范圍40kΩ～120kΩ。

　　OUTA，OUTB，OUTC，OUTD 4個(gè)100mA的互補輸出MOS驅動(dòng)信號。OUTA和OUTB互補，OUTC和OUTD互補，分別驅動(dòng)外部功率電路的一個(gè)半橋功率開(kāi)關(guān)，它們的工作頻率為振蕩頻率的一半。

　　SS／DISB軟啟動(dòng)和禁止端。其中禁止模式即芯片輸出的快逸關(guān)閉。禁止模式在外部強制SS／DISB低于0.5V、外部強制REF低于4V、VDD低到UNLO設定值之下、或在發(fā)生過(guò)流故障(CS>=2.5V)時(shí)啟動(dòng)。在REF低于4V或VDD低到UNLO情況發(fā)生時(shí)，SS／DISB被內部MOSFET拉低到地，如果是發(fā)生過(guò)流，SS／DISB吸入10倍IRT電流直到SS／DISB低于0.5V。

　　圖2是UCC3895的時(shí)序圖。

　　圖2中，是時(shí)鐘信號，RAMP是RT端的鋸齒波，COMP表示的是電壓模式控制時(shí)誤差調節器的輸出信號。OUTPUTA、B、C、D為互補輸出MOS管的四個(gè)驅動(dòng)信號。OUTPUTA和B互補，OUTPUTC和D互補，OUTPUTA、B和OUTPUTC、D之間的相位差由圖中輸出PWM波形的占空比決定。

　　3．基于UCC3895DC／DC變換器的參數設計

　　DC／DC變換器的電路原理如下圖3。圖中除了UCC3895及其外圍電路外，QA、QB、QC和QD四個(gè)MOSFET組成橋式變換電路，依靠其漏源間等效電容實(shí)現零電壓軟開(kāi)關(guān)；T1和T2為脈沖變壓器，分別用來(lái)驅動(dòng)主電路開(kāi)關(guān)管QA、QB和QC、QD；T4為電流互感器，與C7、R10一起組成電流檢測電路；T3為高頻變壓器，實(shí)現輸出隔離和電壓匹配；D1和D2對高頻變壓器副邊電壓整流，精L1、L2和C10濾波得到輸出直流電壓VCC；TL431是一個(gè)基準電壓為2.5V的電壓調節器，通過(guò)光耦Q8實(shí)現輸出電壓閉環(huán)反饋。

　　采用UCC3895芯片作為控制電路主要部分，通過(guò)TI公司提供的原理圖、測試參數、設計原理、應用參數等資料，結合本實(shí)驗的要求給出部分電路參數設計。

　　預設fosc=200kHz，得tosc=1／200kHz=5μs，根據式(3)計算得RTCT=46.8×10-6，取RT=100kΩ，CT=470pF。

　　由式(1)和(2)，開(kāi)關(guān)切換時(shí)CS端的最低電壓決定了最大死區時(shí)間。VCS上的電壓范圍為0V～2.5V，選取RCS=200kΩ，RADS=100kΩ，如圖3所示。據式(1)得到VDEL上的電壓范圍為0.5V～1.75V，選取RDELAB=RDELCD=2kΩ，最大電流為0.875mA<1mA，符合要求。再據式(2)得到死區時(shí)間為50～125ns。

　　據光耦參數，取工作點(diǎn)為IC=2.5mA，IF=3mA，選擇EAP端電壓工作點(diǎn)為VREF的中點(diǎn)，即得R4=VREF／(2IC)=1kΩ。

　　根據設計要求輸出電壓Vcc=30V，已知TL431的參考電壓為2.5V，則應取R8=11kΩ，R9=1.0kΩ。選擇TL431輸出端電壓工作點(diǎn)為動(dòng)態(tài)范圍的中點(diǎn)，可得R11=(Vcc-1.5-2.5)／(2IF)=4.3kΩ。

　　選擇驅動(dòng)變壓器原、副邊匝比為10：10；高頻變壓器T3原副邊匝比為15：45。輸入電壓Vin為15V，電流平均值約為5A；考慮占空比和的T3的勵磁電流，輸入電流峰值約為9A；電流互感器原副邊匝比選為1：75，可得副邊電流為0.12A；選擇R10為20Ω，可得CS端的最大電壓為2.4V，不能超過(guò)2.5V。

　　4．實(shí)驗結果

　　圖4是在上述參數下的控制電路輸出波形。

　　圖4中上面三個(gè)波形依次為CT上的輸出波形、OUTA的輸出波形和OUTB的輸出波形；下面三個(gè)波形是上面波形的局部放大圖。OUTA、OUTB的開(kāi)關(guān)頻率為100kHz，CT的輸出頻率為200kHz的鋸齒波，開(kāi)關(guān)頻率是fOCS的二分之一。為了觀(guān)察穩定的波形，反饋回路處于開(kāi)路，等效為輸出一直處于欠壓狀態(tài)；可以看出PWM占空比接近100％，死區時(shí)間約為120ns，在設定范圍之內。

　　5．結論

　　本文介紹了ZVS移相全橋DC／DC變換器控制芯片UCC3895，與此前同類(lèi)芯片比較增加了自適應死區時(shí)間控制。設計了一臺15V／30V的DC／DC變換器的設計，該方案采用了峰值電流控制模式，可在較大范圍內實(shí)現移相全橋零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)。最大可實(shí)現1～2kW的功率變換。實(shí)驗證實(shí)了UCC3895的控制功能。預計會(huì )有較大的應用前景。