初级启动控制器UCC3960及其应用

初级启动控制器UCC3960及其应用

摘要：介绍了用于单端变换拓扑的初级启动控制器UCC3960的工作原理，并给出了一个典型应用电路。

关键词：初级启动控制；自由振荡器；同步；脉冲边缘传输

0    引言

    随着信息技术与集成电路技术的发展，开关电源技术逐渐向智能化、小型化、低压大电流分布式、N＋1冗余式供电发展，并要求其具有更高的动态响应。在传统的单端（含正激与反激式）PWM/PFM控制方式中，电源与远端实现遥控、遥测、遥信功能的电路较复杂；在实现多电源N＋1冗余式均流供电方面难度较大；同时初级控制受到电源控制环路的非线性、延迟方面的限制，以及无法紧密耦合监控输出电流的变化，从而使动态响应难以有大的提高。因此，采用次级控制的开关电源控制技术，开始在小功率单端变换器上得到了应用。

    TI推出的初级启动控制芯片UCC3960，可为次级PWM控制的，单端隔离的开关模式变换器提供所有的原边所需功能。它可以广泛应用于次级PWM控制电路，尤其适用于会出现过流情况的系统。次级控制的输出电压采样、电流检测，直接与PWM级参考地相连，这是对电源功率变换技术的发展。

    PWM控制信号可以通过简单、低成本的隔离脉冲变压器传递到初级功率开关上。次级控制有利于监控具有紧密耦合的，模拟控制环路的系统负载。使输出电流均流，输出同步整流更容易实现。同时可以消除由于光耦器件或驱动变压器参数的变化而造成环路增益变化的因素。

1    工作原理

    UCC3960的原理框图如图1所示。

图1    UCC3960控制器内部结构

1.1    引脚描述

    脚1SS（软启动）    该脚提供初级软启动功能。其外接电容在电源启动时决定了控制脉冲宽度的上升斜率。同时，该脚也是给脚2FB提供反馈信号的脉冲变压器的返回端。

    脚2FB（反馈）    来自脉冲变压器次级的上升沿启动/下降沿关断的脉冲宽度控制信号输入端。该信号用于控制初级开关管的导通与截止，其幅值最小应为V_ss±2.0V，最大为V_ss±7.0V，脉宽在25ns与200ns之间，V_ss为脚SS上的电压。

    脚3RT（定时电阻）    该脚与地之间连接一个电阻，以设定启动振荡器的自由振荡频率，f_s=。R_T阻值在133kΩ与22.2kΩ之间，可产生的振荡频率在60kHz与360kHz之间。

    脚4VREF（电压基准）    5V基准电压可对外部负载提供10mA电流，同时也是内部逻辑参数设置的基准，该脚对地必须接一个最小为0.1μF的旁路电容。

    脚5CS（电流传感）    这是一个逐周电流脉冲采样与过流采样输入端。当该脚信号电压幅值超过1.0V时触发一个逐周限流信号，超过1.375V时关断输出，并使UCC3960进入一个软启动周期。该脚容易受到噪声干扰，最好在该脚与电流传感器间加一RC低通滤波网络。

    脚6GND（地）    所有模拟信号的参考地。

    脚7OUT（输出驱动）    可提供驱动N沟道MOS功率开关管的驱动信号，最大上拉电流1.5A，灌电流0.75A。开关管关断期间该脚自偏置为低电平。

    脚8VDD（供电电源）    为芯片控制电路与栅极驱动电路提供能量。其内接一17.5V的稳压管用以保护内部器件，避免因为过压损坏。该脚必须外加电流限制电阻。

1.2    主要功能描述

1.2.1    启动振荡器

    启动振荡器为IC提供时钟，锯齿波，同步信号以及其它时序管理。图1中的电容CT约为58pF。当脚RT与脚GND之间接入133.3kΩ～22.2kΩ的电阻时，自由振荡频率的变化范围为60kHz～360kHz，占空比为72％～70％。

    电路设计时要注意次级的工作频率，以便于对初级的同步。次级的工作频率应为初级自由振荡频率的1.11倍，即在67kHz～400kHz的范围之内。

1.2.2    软启动

    在脚SS与脚GND之间接一电容器，由一7μA的内部电流源对软启动电容充电，可以实现软启动，这时占空比从0％逐渐上升到最大占空比72％。

    本IC的软启动还提供了多种保护。由图1可见，CS电流传感端的电压阈值超过1.375V时，软启动被触发，这时软启动电容通过内部5μA电流源（2ISS）放电，电容放电低于1.0V时，新的软启动周期重新开始。

1.2.3    同步

    脚SS与脚FB共同接到脉冲变压器的初级。脉冲变压器的次级要串入一个电容，用来对次级控制IC的PWM驱动方波信号进行微分，同时也可防止变压器磁芯的饱和。

    图1中START与STOP比较器分别有1V的阈值，从而在脚SS与脚FB之间设定了2V的死区，以防止脉冲变压器的漏感可能产生的，假的次级脉冲边缘检测信号。变压器的设计关系到系统的正常工作。

    当次级驱动方波的下降沿的第一个微分负脉冲关断指令一旦被初级识别，UCC3960立即将PWM锁存器复位，同步锁存器（ S/DLATCH）置位。此时UCC3960的PWM驱动交由次级控制。当一个软启动被触发后，控制再返回到初级。如此重复。

1.2.4    PWM

    在次级PWM正常工作以前，系统的PWM控制器由UCC3960进行控制，包括初级控制IC的软启动阶段和次级控制IC的软启动阶段。当初、次级控制IC结束软启动均进入工作状态后，系统进入闭环控制工作状态。

2.2.5    电流传感

    UCC3960的电流传感器有两个阈值为系统提供更安全的过流保护。1V的阈值进行逐周电流限制。1.375V的阈值关断输出，并使UCC3960进入一个软启动周期。

2    典型应用

2.1    应用电路

    图2所示电路介绍了一个由UCC3960作为初级启动控制电路，UCC38C45作为次级控制电路的应用实例。UCC3960提供电源正常启动输出电压以及电源正常启动后接受次级控制芯片反馈控制信号。UCC38C45主要进行输出电压的的采样，根据输出电压的变化提供不同宽度的脉冲信号。脉冲信号通过脉冲变压器T₂传输给UCC3960以控制初级开关管的工作，即脉冲上升沿开通开关管，下降沿关断开关管。

图2    UCC3960的应用电路

2.2    脉冲边沿传输电路

    脉冲边缘传输电路应具有正确的频率响应与很高的阻尼（低品质因数Q值），以防止过冲。电路典型波形如图3所示。

(a)    电路

(b)    波形

图3    边缘脉冲传输电路

    图3电路中，C₁对PWM驱动信号的方波进行微分，取出占空比变化信息，同时隔离直流分量，防止磁芯饱和。R₁及R₂限制微分信号的电流，对信号的反冲振荡予以衰减与阻尼。脉冲变压器初次级的匝数比应为1：1，这样有利于提高脉冲变压器传输的信噪比。

    一个实际的脉冲变压器如图4所示。

图4    脉冲变压器

    图4中所用的磁环为Ferronics公司的J型铁氧体材料，体积为5.84mm×3.05mm×3.05mm，型号为11－622J。

    脉冲变压器参数为

    N₁=N₂=4匝，为了保证隔离电压，采用三层绝缘线绕制，电感量L_M=5.4μH。

    电阻R₁=300Ω，C₁=2700pF，R₂=200Ω。

3    结语

    初级启动次极控制直接对输出电压、电流检测，方便了电源次级的各种保护功能的实现。是对开关电源控制技术的发展。