先进的PFC/PWM组合控制器UCC28510系列及其应用电

2011-05-23 19:53:04来源: 互联网

摘要:介绍了PFC/PWM组合控制器UCC28510系列的主要特点及其应用电路设计程序。

关键词:PFC/PWM组合集成电路;UCC28510系列;应用电路;设计

 

1    引言

    德州仪器(TI)公司新推出的UCC28510系列PFC/PWM组合控制器,含有8个型号(从UCC28510到UCC28517)。这些控制器PFC级和PWM级极驱动源电流和阱电流,由先前同类器件的0.3~1.5A分别增加到2A和3A,从而使离线式开关电源(SMPS)的功率提高到300W以上。该功率等级属于业界真正要求的严格限制谐波含量的SMPS功率范畴。

    由于UCC28510系列PFC/PWM组合控制器在设计上有许多创新,在通用AC线路输入(85~265V)和负载范围内,电流谐波含量完全符合ICE1000-3-2标准要求,线路功率因数非常接近于1。同时,PFC升压变换器输出纹波电流明显减小,系统瞬态响应得到提高。与先前的PFC/PWM组合控制器比较,采用该系列控制器可使SMPS系统电路进一步简化,从而有助于降低系统成本,节省空间,提高系统功率密度和可靠性。

2    主要特点

    UCC28510系列控制器具有以下几方面的特点。

    1)采用20引脚PDIP或20引脚SOICW封装(功率耗散分别为1W和0.7W),工作结温范围为-50℃~150℃。

    2)将连续传导模式(CCM)平均电流型控制PFC控制器和峰值电流模式PWM级电路集成在同一芯片上,设计新颖,结构紧凑,如图1所示。

    3)PFC控制器中的三输入高度线性化的乘法器和跨导(gm)电压误差放大器大大地提高了电路的瞬变响应。

    4)PWM控制器最大占空比可编程设定,并且开关频率fPWM可以与fPFC相同,也可以选择fPWM=2fPFC,具体如表1所列。

    5)为了减小PFC升压预调节器输出电容器上的纹波电流,PFC和PWM级分别采用前沿调制和后沿调制。图2示出了UCC28510系列脉冲前沿/后沿调制(LEM/TEM)控制器与传统后沿/后沿调制( TEM/TEM)PFC与PWM组合控制器在能量贮存电容器(CES)上的电流(iES)对比。

图1    UCC28510系列PFC/PWM控制器内部结构

图2    前沿/后沿调制(LEM/TEM)纹波电流与后沿/后沿调制(TEM/TEM)比较

    此外,UCC28510系列PFC/PWM组合控制器还具有可编程软启动,PFC输入电压前馈控制,峰值电流和功率限制,零功率检测和过电压保护等特征。

表1    UCC28510系列ICs之间的主要不同点

PFC欠电压锁定

(UVLO)导通门限

/V

PWM滞后电压/V fPFCfPWM
1∶1 1∶2
16 1.45 UCC28510 UCC28514
10.2 1.45 UCC28511 UCC28515
16 3.20 UCC28512 UCC28516
10.2 3.20 UCC28513 UCC28517

3    应用电路及设计

3.1    应用电路

    UCC2851X作为控制器的PFC升压预变换器与回扫(反激)式PWM功率级SMPS电路如图3所示。图中,UCC2851X(U1)中的PFC控制器、升压电感器L1、PFC开关(Q1)、升压二极管D3和输出电容器C1等,组成有源PFC升压预变换器。R3R4组成的电阻分压器用作PFC变换器DC输出电压(400V)检测,感测信号通过U1的脚3输入到内部以7.5V为参考的误差放大器。正比于整流电压的电流信号经电阻R1和U1的IAC脚(脚18)输入到内部乘法器,以保证整流器(D1)输入端的AC电流跟踪AC线路电压瞬时变化轨迹。电阻R2是PFC级电流感测元件。R2上感测的电压信号分别经U1脚16(ISENSE1)和脚14(PKLMT)输入到内部电流放大器和PFC电流限制比较器,以履行PFC级PWM脉冲占空比控制和峰值电流控制。

图3    UCC2851X典型应用电路

    R6C3是U1启动元件。当U1被启动Q1开始开关之后,变压器T1的辅助绕组、二极管D5和电容C3组成的电源电路为U1提供工作电压(和电流)。U1脚2(RT)外部电阻R20用作设定振荡器频率。

    U1脚4外部R16R19组成的电阻分压器,用作编程PWM最大占空比。电阻R5为PWM级电流感测元件。R2上感测的电压信号经U1脚8(ISENSE2)输入,以履行峰值电流限制。U1脚13(SS2)外部电容C5,用作编程PWM级栅极驱动软启动持续时间。SMPS次级DC输出到初级的反馈环路,由电阻分压器、作为误差放大器使用的U3(TL431)和光耦合器U2组成。U1的脚7(VERR)接收反馈信号,以控制PWM占空比。

3.2    主要元件参数确定的方法

3.2.1    设计程序

    设计程序参考图3所示的应用电路。首先选择UCC28510系列ICs中的一种控制器,再按以下步骤进行设计:

    1)功率级元器件;

    2)PFC级控制元件;

    3)PWM级控制元件。

    元件的确定必须根据给定的技术条件,具体包括系统输出电压VOUT、输出功率POUT和AC线路电压VAC范围。其它的技术要求有效率和允许的电流谐波等。

3.2.2    确定相关参数

    1)PFC级最小占空比D1(min)

    PFC升压变换器在CCM下操作,最小占空比由最低AC线路电压VAC(min)和PFC输出存储电容C1上的电压VC1决定。

    D1(min)=1-(1)

    2)确定调节常数K1R

    能量存储电压的调节常数K1R由式(2)确定。

    K1R=(2)

式中:PWM导通参考是6.75V,PWM滞后为1.45V或3.2V,VREF=7.5V。因此可得

    K1R=0.29(对应UCC28510/28511/28514/28515);

    K1R=0.53(对应UCC28512/28513/28516/28517)。

    3)最低能量存储电压VC1(min)

    C1上的最低能量存储电压VC1(min)K1R和正常状态下C1上的电压VC1(nom)决定。

    VC1(min)=(1-K1RVC1(nom)(3)

    4)编程PWM级开关频率fs(PWM)

    用U1脚RT外部电阻R20设定fs(PWM)

    R20=(4)

    推荐R20=45~500kΩ。

3.2.3    元器件的确定

    1)功率级元器件

    在图3所示的电路中,功率级元器件包括C1C3、D1~D5L1R1、Q1、Q2和T1。因篇幅所限,PWM功率级元器件Q2、D4、D5C2和变压器T1不在此讨论。在PFC级元器件C1C3、D1~D3和Q1中,除C1因PFC/PWM同步化要求需要讨论外,其它元器件选择方法在固定频率PFC设计中都有介绍,故也不再涉及。

    (1)升压电感器L1

    PFC升压电感器L1可利用式(5)计算。

    L1=(5)

式中:TS(PFC)为开关周期;

      PIN为输入功率;

      KRFiL1(p-p)/iL1(max)=0.2~0.3,为纹波因数。

    (2)电流传感电阻R2和PFC峰值电流限制编程电阻R17与R14PFC级电流感测电阻R2可由式(6)确定。

    R2=(6)

    在式(6)中,R2操作动态范围VDYNAMIC围绕1V,iL1(max)=PIN/VAC(min)

    UCC2851X脚PKLMT外部电阻分压器R7R14用作编程过电流门限电压。R14可围绕10kΩ选择,R7R14之间关系如下。

    =(7)

    (3)电容器C1

    PFC升压变换器输出电容器C1的选择必须保证要求的支持(hold-up)时间tHU,其容值由式(8)确定。

    C1=(8)

    C1还必须能经受住有效值纹波电流IC1(rms)

    IC1(rms)取决于开关Q2的电流IQ2、占空比D2(nom)VC1(nom)VAC(min)

    <(9)

    IC1(rms)IQ2之比率可以从UCC2851X的相关曲线上查出。

    (4)PWM级电流感测电阻R5

    UCC2851X脚8内部峰值电流限制比较器的输入门限电压VTH为1.3V,R5可按式(10)计算。

    R5=VTH(1.3V)/iQ2(peak)(10)

    2)PFC级控制元件

    (1)乘法器动态范围设定

    乘法器动态范围依赖于PFC/PWM组合控制器IAC、VAOUT和VFF脚上的电流或电压。这几个参数的限制条件如下:

    0≤iIAC(t)≤500μA(11)

    0≤VVOUT(t)≤5V

    1.4V≤VVFFVREF-1.4V

    相关元件的选择如表2所列。

表2    乘法器相关元件计算公式

    (2)PFC电流环路控制元件

    在U1的电流放大器输出(脚15)与电流放大器反相输入端(脚17)之间,在外部连接由C7C6R13组成的补偿网络。R13用作设定在交叉频率fCO(PFC)上补偿器增益,选择C6在交叉频率上设置一个零点,C7用作在开关频率 fS(PWM)的1/2处提供一个极点。这三个元件的计算公式如表3所列。

表3    PFC电流环路控制元件计算公式

    3)PWM级控制元件

    U1脚4外部电阻R16R19,用作设定最大占空比DPWM(max),以防止变压器饱和。R16R19之比由式(12)确定。

    =-1(12)

    当脚4上电压为VDX时,最大占空比DPWM(max)可由式(13)计算。

    DPWM(max)=(0.26-4.4×10-8fs)VDX+6.9×10-8fs-0.31(13)

    当VDX=4.15V时,DPWM(max)=(75±5)%。它比PFC级最大占空比DPFC(max)〔95±5)%〕小一些。

    4)元器件选择举例

    对于图3所示的应用电路,若AC输入范围为85~265V,PFC级电路DC输出电压是400V,输出功率为100W,U1选用UCC28517(fPFC=1/2fPWM),VCC脚电源12V,PFC级和变压器初级PWM级电路主要元器件的选择如下:

    (1)功率器件和磁性元件

    Q1和Q2选用IRFP450型MOSFET,D1选用PB66全桥整流器,D2选用G1756二极管,D3选用HFA08TB60快速恢复二极管。升压电感器L1电感值为1.7mH,变压器T1选用PB2039。

    (2)阻容元件

    主要阻容元件数值如表4所列。

表4    阻容元件的选择

 

关键字:先进  系列

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0523/article_9072.html
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