基于UCC28600準(zhǔn)諧振反激式開關(guān)電源的方案

　　本文提出了一種基于UCC28600控制器的準(zhǔn)諧振反激式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)方案，該方案分析了準(zhǔn)諧振反激式開關(guān)電源的工作原理及實(shí)現(xiàn)方式，給出了電路及參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇過程，以及實(shí)際工作開關(guān)波形。實(shí)驗(yàn)證明，該方案中所設(shè)計(jì)的準(zhǔn)諧振反激式開關(guān)電源具有輸入電壓范圍寬、轉(zhuǎn)換效率高、低EMI、工作穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)。準(zhǔn)諧振技術(shù)降低了MOSFET的開關(guān)損耗，提高產(chǎn)品可靠性。

　　引言

　　準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換是十分成熟的技術(shù)，廣泛用于消費(fèi)產(chǎn)品的電源設(shè)計(jì)中。新型的綠色電源系列控制器實(shí)現(xiàn)低至150mW的典型超低待機(jī)功耗。本文將闡述準(zhǔn)諧振反激式轉(zhuǎn)換器是如何提高電源效率以及如何用UCC28600設(shè)計(jì)準(zhǔn)諧振電源。

　　常規(guī)的硬開關(guān)反激電路

　　圖1所示為常規(guī)的硬開關(guān)反激式轉(zhuǎn)換器電路。這種不連續(xù)模式反激式轉(zhuǎn)換器(DCM)一個(gè)工作周期分為三個(gè)工作區(qū)間：(t0~t1)為變壓器向負(fù)載提供能量階段，此時(shí)輸出二極管導(dǎo)通，變壓器初級(jí)的電流通過Np:Ns的耦合流向輸出負(fù)載，逐漸減小。

　　圖1

　　MOSFET電壓由三部分疊加而成：輸入直流電壓VDC、輸出反射電壓VFB、漏感電壓VLK.到t1時(shí)刻，輸出二極管電流減小到0，此時(shí)變壓器的初級(jí)電感和和寄生電容構(gòu)成一個(gè)弱阻尼的諧振電路，周期為2πLC。在停滯區(qū)間(t1~t2)，寄生電容上的電壓會(huì)隨振蕩而變化，但始終具有相當(dāng)大的數(shù)值。當(dāng)下一個(gè)周期t2節(jié)點(diǎn)，MOSFET導(dǎo)通時(shí)間開始時(shí)，寄生電容(COSS和CW)上電荷會(huì)通過MOSFET放電，產(chǎn)生很大的電流尖峰。由于這個(gè)電流出現(xiàn)時(shí)MOSFET存在一個(gè)很大的電壓，該電流尖峰因此會(huì)做成開關(guān)損耗。此外，電流尖峰含有大量的諧波含量，從而產(chǎn)生EMI。

　　準(zhǔn)諧振反激式設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

　　利用檢測(cè)電路來有效地“感測(cè)”MOSFET漏源電壓(VDS)的第一個(gè)最小值或谷值，并僅在這時(shí)啟動(dòng)MOS-FET導(dǎo)通時(shí)間，由于寄生電容被充電到最低電壓，導(dǎo)通的電流尖峰將會(huì)最小化。這情況常被稱為谷值開關(guān)(ValleySwitching)或準(zhǔn)諧振開關(guān)。這種電源是由輸入電壓/負(fù)載條件決定的可變頻率系統(tǒng)。換言之，調(diào)節(jié)是通過改變電源的工作頻率來進(jìn)行，不管當(dāng)時(shí)負(fù)載或輸入電壓是多少，MOSFET始終保持在谷底的時(shí)候?qū)?。這類型的工作介于連續(xù)(CCM)和不連續(xù)條件模式(DCM)之間。因此，以這種模式工作的轉(zhuǎn)換器被稱作在臨界電流模式(CRM)下工作。臨界模式下MOSFET漏源電壓如圖2所示。

　　圖2

　　在反激式電源設(shè)計(jì)中采用準(zhǔn)諧振開關(guān)方案有著許多優(yōu)點(diǎn)：

　　(1)降低導(dǎo)通損耗

　　由于MOSFET導(dǎo)通具有最小的漏源電壓，故可以減小導(dǎo)通電流尖峰。減輕了MOSFET的壓力，降低器件的溫度。

　　(2)降低輸出二極管反向恢復(fù)損耗

　　由于二次側(cè)的整流管零電流關(guān)斷，反向恢復(fù)損耗降低，從而提高電源整體效率。

　　(3)減少EMI

　　導(dǎo)通電流尖峰的減小以及在準(zhǔn)諧振過程中存在頻率抖動(dòng)，將會(huì)減小EMI噪聲，這就減少EMI濾波器的使用數(shù)量，從而降低電源成本。

　　基于UCC28600控制器的鎢燈電源的設(shè)計(jì)

　　1、UCC28600控制器的主要特性

　　UCC28600控制器的主要特性有先進(jìn)的綠色模式控制方式;低EMI及低損耗(谷底開關(guān))的準(zhǔn)諧振控制方式;空載損耗小于150mW(低待機(jī)電流);低啟動(dòng)電流(最大25μA);;可編程過壓保護(hù)(輸入電壓和輸出電壓);內(nèi)置過溫保護(hù)，溫度回復(fù)后可自動(dòng)重啟;限流保護(hù)：逐周期限功率，過電流打嗝式重啟;可編程軟啟動(dòng);;集成綠色狀態(tài)腳(PFC使能端)。

　　2、UCC28600工作原理

　　UCC28600內(nèi)部集成了UVLO比較器，高頻振蕩器，準(zhǔn)諧振控制器和軟起動(dòng)控制器，待機(jī)模式跳脈沖比較器，輸入和輸出過電壓保護(hù)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

　　圖3

　　(1)UVLO比較器

　　UCC28600的VDD電壓在13V起動(dòng)，在低于8V時(shí)關(guān)閉，有5V的滯差電壓，可以提高UCC28600工作的穩(wěn)定性。

　　(2)內(nèi)部振蕩器

　　UCC28600內(nèi)部集成了一個(gè)40~130kHz的振蕩器。

　　(3)準(zhǔn)諧振控制器和軟起動(dòng)控制器

　　UCC28600采用準(zhǔn)諧振的開關(guān)變換器以提高轉(zhuǎn)換效率，利用變壓器的勵(lì)磁磁通，在開關(guān)關(guān)斷期間，檢測(cè)變壓器繞組的輸出電壓，如果電壓偏低及處于振蕩的波谷時(shí)，可以確認(rèn)該時(shí)刻變壓器勵(lì)磁磁通耗盡，可以開啟下一周期。該準(zhǔn)諧振模式可分為臨界導(dǎo)通模式(CRM)和不連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)以及頻率調(diào)制模式(FFM)。

　　(4)待機(jī)模式和跳脈沖比較器

　　當(dāng)功率繼續(xù)減小，UCC28600進(jìn)入待機(jī)模式;頻率調(diào)制模式(FFM)頻率下降到40kHz，不再減小;當(dāng)FB小于0.6V時(shí)，開關(guān)脈沖輸出關(guān)斷，當(dāng)FB大于0.7V時(shí)，開關(guān)脈沖正常輸出，從而得到跳脈沖模式的待機(jī)工作狀態(tài)。

　　(5)輸入和輸出過電壓保護(hù)

　　OVP引腳為過電壓(線電壓和負(fù)載電壓)輸入腳以及諧振開通的響應(yīng)腳，此腳通過變壓器初級(jí)偏置線圈來偵測(cè)輸入過壓，負(fù)載過壓及諧振條件，其過壓點(diǎn)可通過與此腳相連的電阻來靈活調(diào)節(jié)。

　　3、鎢燈電源的技術(shù)指標(biāo)

　　輸入電壓：95~260VAC50/60Hz;輸出電壓：5V;輸出電流：4.3A;可遙控關(guān)閉電源輸出。

　　4、電源設(shè)計(jì)過程

　　鎢燈電源電路圖如圖4所示，交流電源從左上角輸入，經(jīng)輸入電源濾波器、整流橋、高壓電容，轉(zhuǎn)為約130~360V的直流高壓。N14、V30組成高壓側(cè)主電路，將直流高壓斬波為脈沖電壓，通過變壓器耦合，經(jīng)V12整流輸出，輸出電容濾波為直流電壓。

　　圖4

　　3.4.1、啟動(dòng)電路

　　由于UCC28600的啟動(dòng)電流非常小，典型值為12μA，可以大大降低啟動(dòng)電阻的功耗，因而啟動(dòng)電阻由三個(gè)300kΩ的貼片電阻串聯(lián)而成。但由于VDD引腳需要一個(gè)足夠的儲(chǔ)能電容防止在工作時(shí)出現(xiàn)打嗝現(xiàn)象，帶來的一個(gè)問題是VDD啟動(dòng)時(shí)電壓上升過慢，電源啟動(dòng)時(shí)間過長(zhǎng)。解決方法是VDD引腳采用小電容，反供繞組采用大電容，兩者之間用V34(1N4148)隔離。

　　3.4.2、遙控電路

　　遙控電路用光耦TLP181安全隔離，當(dāng)遙控信號(hào)輸入CTL端加電流信號(hào)時(shí)，光耦輸出端導(dǎo)通，通過V33將UCC28600的SS引腳拉低，關(guān)閉MOSFET的驅(qū)動(dòng)信號(hào);通過R32將VDD電壓拉低，低于UCC28600的啟動(dòng)電壓，避免芯片一直處于重啟過程。

　　3.4.3、反饋電路

　　采用TL431采樣輸出端電壓，通過光耦TLP181隔離后反饋到芯片的輸入端。TL431的基準(zhǔn)電壓為2.495V，通過R84、R85的分壓，將輸出電壓設(shè)定在11.5V.由于負(fù)載為固定鎢燈電源，所以不用考慮電源的瞬態(tài)相應(yīng)，故TL431的補(bǔ)償電容采用簡(jiǎn)單的Ⅰ類補(bǔ)償，電路簡(jiǎn)單，穩(wěn)定可靠。

　　3.4.4、變壓器設(shè)計(jì)

　　設(shè)在最大負(fù)載時(shí)，UCC28600工作在準(zhǔn)諧振模式，其最大占空比發(fā)生在最低輸入電壓時(shí)，在固定輸入電壓和輸入功率的情況下：

　　圖

　　初級(jí)繞組采用2×0.35漆包線，次級(jí)采用125μm銅箔，采用三明治繞法，磁芯中心柱開氣隙，使ALG為275nH/T2。

　　5、測(cè)試數(shù)據(jù)

　　3.5.1、電源轉(zhuǎn)換效率

　　電源在不同輸入輸出條件下效率如圖5所示。

　　圖5

　　3.5.2、不同狀態(tài)下的開關(guān)管波形

　　電源在不同狀態(tài)下的開關(guān)管波形如圖6所示。

　　由圖6可以看出，當(dāng)輸出負(fù)載很小時(shí)，電源是工作于跳脈沖模式，這樣可以降低開關(guān)損耗，提高輕載電源效率;隨著負(fù)載加大，電源開始進(jìn)入頻率調(diào)制工作模式。在滿載且輸入電壓較高時(shí)，電源工作于頻率較高的準(zhǔn)諧振模式;如果輸入電壓較低時(shí)，工作模式不變，但開關(guān)頻率降低，維持開關(guān)管在波形谷底導(dǎo)通。

　　圖6

　　結(jié)語

　　本文提出的基于UCC28600控制器的準(zhǔn)諧振反激式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)方案，該方案利用準(zhǔn)諧振技術(shù)降低了MOSFET的開關(guān)損耗。實(shí)踐證明，基于UCC28600的準(zhǔn)諧振反激式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)具有輸入電壓范圍寬、輸出電壓精度高、高轉(zhuǎn)換效率、低待機(jī)功耗等特點(diǎn)。本電源應(yīng)用于鎢燈電源中，最高效率達(dá)到86%，收到了良好效果。