UPC1099集成电路性能与应用

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R_T、C_T决定。一般C_T取100pF～1500pF、R_T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（T_a=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

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V_s=36～72V，输出电压V_o=＋5V，输出电流I_o=0～15A。

图2  75W直流变换器电原理图

    图中R₁、Q₁、R₂、Q₂、C₂、C₃、R₄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。C_o、L₁、C₁组成EMI电路，防止变换器对电网干扰。R₁、R₅、R₆、D₂、D₃、C₅、C₆、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、Q₃、C₅给UPC1099供电，使变换器输出。此时P₂线圈通过D₃、C₆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。C₁₀、R₁₅设定工作频率。脉冲信号通过R₇、R₈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。C₁₂、R₁₇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R₂₆、R₂₇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。R₁₁、R₁₂、C₈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。R₁₇、C₁₂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。R₁₉、R₂₀、C₁₄、C₁₅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。R₂₃、C₁₈、R₂₅、C₁₉为吸收补偿网络使反馈相位更易同步，减小自激。R₁₈、C₁₃为输入输出间吸收网络，可降低输出噪声。C_o、L₁、C₁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。C₁、C₄为输入滤波平滑电容。C₂、C₃为启动开关滤波电容及启动延迟。C₅、C₆、C₉为IC₁的电源滤波和基准电压滤波。C₇、C₁₁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。R₂₈、R₂₉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R₃₀、R₃₁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R₁₅、C₁₀决定。R₁₅、C₁₀对频率的影响如图3所示。

图3  C_T、R_T与振荡频率f_o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R₁、R₂、R₃、Q₁、C₂、C₃、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R₅、R₆、D₂、Q₃、D₃、C₅、C₆，其中D₃、C₆只有在启动后作供电用，启动时并不起作用。

    当接通电源后，V_s经由R₆、Q₃向C₅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（I_CC）通过UPC1099，大小为0.2mA左右。C₅为10μF左右，V_s=48V时，只要0.5s时间就能升到11.5V。电流值为：

    i=u_c5·C₅/Δt==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为

    R₆<（2）

式中：V_in(min)为输入最小电压36V；

      V_cc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、D₃、C₆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t_off要在某一确定值，即死区时间（DeadTIme）之上。IC1的脚1可决定t_off的大小，从表1中可知当脚1电压在3.5V以上时t_off=100％T_s；2.5V时t_off=50％T_s；1.5V时t_off=0％T_s。图2中5V参考电压（脚14）经R₁₁、R₁₂分压供给脚1。R₁₁与C₈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R₁₀、C₇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

    I_max=××0.81=15.84A（3）

    （5）过电压保护

    输出过压保护环节由R₁₆、C₁₁、R₃₀、R₃₁、R₃₂、R₃₃和IC₄、IC₅等元器件组成。其保护设定由R₃₀、R₃₁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V_o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V_o调回到变化之前的位置上。其计算公式为：

    V_o=×D×V_s（4）

式中：V_o为输出电压（V）；

      n_p，n_s为原，副边匝数；

      D为占空比；

      V_s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（T_a=＋25℃）

    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

    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。