初級啟動控制器UCC3960及其應用

摘要：介紹了用于單端變換拓撲的初級啟動控制器UCC3960的工作原理，并給出了一個典型應用電路。

關鍵詞：初級啟動控制；自由振蕩器；同步；脈沖邊緣傳輸

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0??? 引言

??? 隨著信息技術與集成電路技術的發(fā)展，開關電源技術逐漸向智能化、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。在傳統(tǒng)的單端（含正激與反激式）PWM/PFM控制方式中，電源與遠端實現(xiàn)遙控、遙測、遙信功能的電路較復雜；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)響應難以有大的提高。因此，采用次級控制的開關電源控制技術，開始在小功率單端變換器上得到了應用。

??? 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。

圖1??? UCC3960控制器內部結構

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/下降沿關斷的脈沖寬度控制信號輸入端。該信號用于控制初級開關管的導通與截止，其幅值最小應為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（定時電阻）??? 該腳與地之間連接一個電阻，以設定啟動振蕩器的自由振蕩頻率，f_s=。R_T阻值在133kΩ與22.2kΩ之間，可產生的振蕩頻率在60kHz與360kHz之間。

??? 腳4VREF（電壓基準）??? 5V基準電壓可對外部負載提供10mA電流，同時也是內部邏輯參數(shù)設置的基準，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時關斷輸出，并使UCC3960進入一個軟啟動周期。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。

??? 腳6GND（地）??? 所有模擬信號的參考地。

??? 腳7OUT（輸出驅動）??? 可提供驅動N溝道MOS功率開關管的驅動信號，最大上拉電流1.5A，灌電流0.75A。開關管關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電路提供能量。其內接一17.5V的穩(wěn)壓管用以保護內部器件，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。次級的工作頻率應為初級自由振蕩頻率的1.11倍，即在67kHz～400kHz的范圍之內。

1.2.2??? 軟啟動

??? 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。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驅動方波信號進行微分，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之間設定了2V的死區(qū)，以防止脈沖變壓器的漏感可能產生的，假的次級脈沖邊緣檢測信號。變壓器的設計關系到系統(tǒng)的正常工作。

??? 當次級驅動方波的下降沿的第一個微分負脈沖關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UCC3960的PWM驅動交由次級控制。當一個軟啟動被觸發(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(tǒng)的PWM控制器由UCC3960進行控制，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。當初、次級控制IC結束軟啟動均進入工作狀態(tài)后，系統(tǒng)進入閉環(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。1V的閾值進行逐周電流限制。1.375V的閾值關斷輸出，并使UCC3960進入一個軟啟動周期。

2??? 典型應用

2.1??? 應用電路

??? 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以控制初級開關管的工作，即脈沖上升沿開通開關管，下降沿關斷開關管。

圖2??? UCC3960的應用電路

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PWM驅動信號的方波進行微分，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)比應為1：1，這樣有利于提高脈沖變壓器傳輸?shù)男旁氡取?

??? 一個實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功能的實現(xiàn)。是對開關電源控制技術的發(fā)展。