UPC1099集成电路性能与应用

2011-05-23 11:55:44来源: 互联网

摘要:介绍一种脉宽调制集成电路UPC1099。详细讨论了其内部结构,引脚排列,给出了它的参数限制和在75W直流变换器中的应用技术。

关键词:直流变换器;脉宽调制;集成电路

 

1  引言

    目前国内通信系统中使用的直流变换器以75W半砖型的+5V输出最为普遍。它以体积小、散热方便、纹波低、转换效率比较高而得到众多通信设备厂家的认同。这里介绍一种用UPC1099脉宽调制集成电路组成的75W半砖型直流变换电路模块。它的集成电路性能优于其他公司的脉宽调制器。其外围元件少、控制灵活、保护功能齐全、性能可靠、应用方便,是75W直流变换器最佳选择方案。

2  UPC1099集成电路内部方框图和引脚功能

    引脚及内部方框图如图1所示,该电路为16引脚集成电路,各引脚功能如下:

图1  UPC1099方框图

    脚1为死区时间控制,通过对它的控制可实现软启动功能。

    脚2、3为反馈端,用以稳定输出电压。

    脚4、5为误差放大器的正负输入端,使用它可以控制电流在给定的范围内。

    脚6为信号地。

    脚7为过电流关闭端子。

    脚8为输出管发射极。

    脚9为输出端。

    脚10为集电极,一般脚8接地,脚10接集成电路电源

    脚11为集成电路电源端。

    脚12为过压关闭端,当输入或输出过压时可控制它闭锁输出,如果需要恢复输出必须使脚12的电压降到+2V以下,并且电源重新启动一次。

    脚13为通断控制,用它可实现直流变换的远程遥控。

    脚14为电压基准,可供外电路作为参考电压。

    脚15、16为振荡频率控制,分别由RTCT决定。一般CT取100pF~1500pF、RT取3kΩ~51kΩ,其振荡频率控制在50kHz~500kHz内。对于75W变换器中控制

    在450kHz~500kHz之间,以降低变压器的尺寸和输出电容的容量。

3  UPC1099的极限值和主要性能指标

    1)极限值(Ta=25℃)

    ——入电压和输出电压26V

    ——输出最大电流1.2A

    ——功耗1000mW

    ——工作温度-20~85℃

    ——贮存温度-55~150℃

    2)封装形式

    ——UPC1099CX为普通型(DIP)双列直插式(引脚间距2.54)

    ——UPC1099GS为扁平型(FLAT)宽体表贴式(引脚间距1.27)

    3)UPC1099主要电性能

    主要电性能如表1所示。

表1  UPC1099主要电性能指标

参数 测试条件 最小值 典型值 最大值 符号 单位
整体性能 IC电压   11.5 15 24 VCC V
待机电流 VCC=8V,-10℃≤Ta≤85℃ 0.05 0.1 0.2 ICC mA
工作电流 VCC=24V,VD=2.7V无负载   10 15 ICC mA
基准电压部分 输出电压 IREF=0 4.8 5 5.2 VREF V
输入稳定度 11.5V≤VCC≤20V,IREF=0   1 10 REGIN mV
负载稳定度 0≤IREF≤3mA   6.5 12 REGL mV
温度变化 IREF=0,-10℃≤Ta≤85℃   400 700 VREF/ΔT μV/℃
输出短路电流 VREF=0   13   Ishot mA
振荡部分 最高频率     200 500 fmax kHz
最低频率   50     fmin kHz
PWM比较器 输入偏压电流 VD=0.54VREF-10℃≤Ta≤85℃     10 IB μA
截止电压(低)   1.5   VTH(L) V
截止电压(高)   3.5   VTH(H) V
  死区与温度变化   3   ΔDT/ΔT
过电压关闭 过电压检测点 -10℃≤Ta≤85℃OVL端子电压=VIN(OVL) 2.0 2.4 2.8 VTH(OVL) V
输入偏压电流     4 IB μA
OVL解除电压     2 VR(OVL) V
检测延迟时间     750 TL(OVL) ns
过电流关闭 过流检测电压(+) -10℃≤Ta≤85℃ 200 220 240 VTH(OCL) mV
过流检测电压(-) -230 210 -190 VTH(OCL) mV
OCL端子输出电流   250   IS(OCL) μA
检测延迟时间   150   TL(OCL) ns

 

4  应用电路

    UPC1099的应用电路很广泛,下面以正激变换器电路为例作一介绍。电路如图2所示。输入电压Vs=36~72V,输出电压Vo=+5V,输出电流Io=0~15A。

图2  75W直流变换器电原理图

    图中R1、Q1R2、Q2C2C3R4为启动开关控制电路,同时Q1可防止启动浪涌电流,由于Q1导通电阻很小,其功耗优于晶闸管和晶体管。CoL1C1组成EMI电路,防止变换器对电网干扰。R1R5R6、D2、D3C5C6、Q3是IC1启动工作电路。在电路通电后,D2稳压管给出15V电压,由R6、Q3C5给UPC1099供电,使变换器输出。此时P2线圈通过D3C6供给IC1所需的大电流。同时IC1的供电电压是固定的。这样其工作的波纹很平稳,输出噪声很小。C10R15设定工作频率。脉冲信号通过R7R8控制Q4振荡工作,经P1至S1副边电压整流滤波输出。双肖特基二极管D4作为副边绕组S1的整流二极管。L2为贮能滤波电感。C12R17组成滤波器,其中C12为片式特质高分子铝电解电容,它的高频特性相当好,优于多层超陶电容和片式钽电容,400kHz下损耗电阻仅为0.09Ω。输出+5V电压经R26R27取样与IC2比较通过IC3电压控制电路反馈电压加在误差放大器输入脚2,控制脉宽平稳输出。R11R12C8作为死区时间设定,C8也是软启动电容。过电流由串接在Q4源极电阻R9检测,信号经限流电阻R10加到IC1过流端脚7进行保护。

    下面按特色功能作一介绍。

    1)内部抗干扰吸收网络

    图2电路中有多处吸收网络以使整个电路功耗降低,噪声干扰小,避免电路自激。R17C12为变压器原边P1的吸收网络,减小对MOS管反压过冲和开关功耗。R19R20C14C15为变压器副边S1的吸收网络,减小肖特基二极管的冲击和修整波形,使输出噪声降低。R23C18R25C19为吸收补偿网络使反馈相位更易同步,减小自激。R18C13为输入输出间吸收网络,可降低输出噪声。CoL1C1为EMI电路。

    2)平滑防振网络

    平滑防振网络主要是保证工作状态下性能稳定。C1C4为输入滤波平滑电容。C2C3为启动开关滤波电容及启动延迟。C5C6C9为IC1的电源滤波和基准电压滤波。C7C11对于过压过流起平滑作用。R22防止输出过载时IC2电流过小的偏置网络。R32同理。R28R29防止空载时自激振荡。R24、D5为启动抗冲击保护电路。

    3)保护电路

    IC1的脚7为过电流关闭端,当电压达到200mV时,MOS管Q4就会逐渐关断。一旦关断,则脚7电压降到0V。

    IC1的脚12为过电压关闭端,输出过压经R30R31取样与IC4比较放大通过IC5反馈至脚12上,使电流经R16升压,当电压为2.4V时,脚9停止输出,电压马上下降。如果要解除过压关闭则电压必须降至2V以下,而且电源要重新启动(ON/OFF)一次。

    4)振荡电路

    振荡频率由脚15、16接的R15C10决定。R15C10对频率的影响如图3所示。

图3  CTRT与振荡频率fo的关系

    5)线路动态原理设计

    (1)浪涌电流的防止

    浪涌电流的防止电路由R1R2R3、Q1C2C3、Q2组成。利用R1对启动电流抑制。R1使48V输入电压的最大启动电流只有4.8A。当C2充电后Q1导通短路R1完成启动。ON/OFF控制端接高电位或悬空为ON,当接低电位(-48V)时即关断变换器。

    (2)工作电路的启动及参数的选择

    变换器启动电路包括R5R6、D2、Q3、D3C5C6,其中D3C6只有在启动后作供电用,启动时并不起作用。

    当接通电源后,Vs经由R6、Q3C5充电。在C5的电压没有达到IC1动作电压之前,会有小量的待机电流(ICC)通过UPC1099,大小为0.2mA左右。C5为10μF左右,Vs=48V时,只要0.5s时间就能升到11.5V。电流值为:

    i=uc5·C5t==0.23mA(1)

    该电流应在待机电流以上,到达5mA时IC1动作。由此选择R6

    R6<(2)

式中:Vin(min)为输入最小电压36V;

      Vcc为IC1动作开始电压11.5V。

    则R6<===56.98kΩ

    当IC1开始动作,消耗电流为15mA。此时电压持续上升至14.3V,D2导通,使IC1稳定工作,正常工作电流由辅助线圈P2、D3C6提供,在选择上注意IC1元件的离散性。

    (3)IC1软启动功能的实现

    为了限制启动电流,必须使ton时间慢慢增加,toff时间逐渐减小,也就是说,导通占空比逐渐增加。同时启动时toff要在某一确定值,即死区时间(Deadtime)之上。IC1的脚1可决定toff的大小,从表1中可知当脚1电压在3.5V以上时toff=100%Ts;2.5V时toff=50%Ts;1.5V时toff=0%Ts。图2中5V参考电压(脚14)经R11R12分压供给脚1。R11C8并联,随着C8电容充电逐渐升高,脚1电压逐渐下降,完成软启动过程。经理论计算和实验确定R11为18kΩ,R12为16kΩ,C8为0.2μF。

    (4)过电流值的设计

    过电流信号由R9上获得,该信号经R10C7平滑送至过电流关闭端脚7。R10×C7的乘积反映了动作的快慢,选择要适当。由于源极电流的峰值与副边输出电流成正比,也和R9上的电压成正比,既电流保护曲线为递减形。以保护电压为0.22V及R9为0.045Ω时,匝数比为8/2,且效率为81%为例:副边的最大输出电流

    Imax=××0.81=15.84A(3)

    (5)过电压保护

    输出过压保护环节由R16C11R30R31R32R33和IC4、IC5等元器件组成。其保护设定由R30R31取样调定。按一般公式计算为Vomax=2.5×(1+)。如果要调整则在IC4的基准端并联可调电位器来改变过压保护点

    (6)稳压控制原理设计

    稳定电压由PWM及反馈电压所组成的环路来保证。在启动后,脚9输出脉冲宽度随脚2反馈的电压作微小的同步快速调整。如果输出电压Vo上升,并联调整器IC2的参考电压上升,IC2的阴极电流加大,光耦IC3反馈,使集电极电流增大,电阻R14上的电压上升,即脚2电位提高,使脉冲宽度变窄把输出电压Vo调回到变化之前的位置上。其计算公式为:

    Vo=×D×Vs(4)

式中:Vo为输出电压(V);

      npns为原,副边匝数;

      D为占空比;

      Vs为输入电压。

5  75W直流变换器性能及尺寸

    1)主要电性能

    主要电性能见表2。

表2  +5V75W直流变换器电性能(Ta=+25℃)

参数 测试条件 最小值 典型值 最大值 符号 单位
输出电源设定精度 Vs=48V,Io=15A 4.95   5.05 Vo V
源效应 Vs=36~72V,Io=15A   0.2   SV
负载效应 Vs=48V,Io=0.5~15A   0.5   SI
温度系数 Vs=48V,Io=15A   ±0.05   ST %/℃
输出过压保护 关断型 110   120  
过流保护 Vo=48V,自启动 120   150  
开关频率   450   500 fo kHz
工作壳温范围 底板壳温 -40   100 Ta
贮存壳温范围 底板壳温 -40   125 T
纹波噪声 100MHz示波器     50 Vop-p mV
效率 Vo=48V,Io=15A   81   η
输入输出绝缘电阻   10     RI-O
遥控关断 逻辑低 接输入低电平 模块“高”
逻辑高 悬空或接输入高电平 模块“低”

 

    2)外型尺寸

    外型尺寸61mm×58mm×15.5mm,外形与外形尺寸如图4及图5所示。其管脚功能如表3所列。

图4  外型图

图5  尺寸图

表3  引脚功能

管脚 符号 功能
1 +Vi 正输入
2 REM 遥控端
3 CASE 外壳
4 -Vi 负输入
5 -Vo 负输出
6 -S 遥测负
7 TRIM 调节端
8 +S 遥测正
9 +Vo 正输出

    3)安装使用注意事项

    (1)散热片一定要安装在导热较好的散热器上,以保证满载时工作温度在规定的范围内,若不能满足时可加风冷。

    (2)负载比较远时必须使用遥测端,将其接至负载两端,同时加电容滤除噪声干扰。

    (3)若输入端距48V供电源比较远时,应在模块附近增加无感电容。

6  结语

    通过以上的选择与分析,基本确定UPC1099是75W左右的直流变换器在正激式PWM电路中的最佳选择。同时增加一些元器件可使模块的功能扩大。这里关键性元器件是UPC1099和特质高分子铝电解电容。如果选用更低内阻的MOS管和同步整流可使效率更高,即可以推出更新更好的产品供通讯设备使用。

关键字:集成电路  性能  应用

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0523/article_8988.html
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