先进的PFC/PWM组合控制器UCC28510系列及其应用电路设计

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级栅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f_PWM可以与f_PFC相同，也可以选择f_PWM=2f_PFC，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（C_ES）上的电流（i_ES）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

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。R₃和R₄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

    R₆和C₃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R₁₆和R₁₉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V_OUT、输出功率P_OUT和AC线路电压V_AC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D_1（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V_AC(min)和PFC输出存储电容C₁上的电压V_C1决定。

    D_1(min)=1－（1）

    2）确定调节常数K_1R

    能量存储电压的调节常数K_1R由式（2）确定。

    K_1R=（2）

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

    K_1R=0.29（对应UCC28510/28511/28514/28515）；

    K_1R=0.53（对应UCC28512/28513/28516/28517）。

    3）最低能量存储电压V_C1(min)

    C₁上的最低能量存储电压V_C1(min)由K_1R和正常状态下C₁上的电压V_C1(nom)决定。

    V_C1(min)=(1－K_1R)·V_C1(nom)(3)

    4）编程PWM级开关频率f_s(PWM)

    用U₁脚RT外部电阻R₂₀设定f_s(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C₁～C₃、D₁～D₅、L₁、R₁、Q₁、Q₂和T₁。因篇幅所限，PWM功率级元器件Q₂、D₄、D₅、C₂和变压器T₁不在此讨论。在PFC级元器件C₁、C₃、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：T_S(PFC)为开关周期；

      P_IN为输入功率；

      K_RF=Δi_L1(p-p)/i_L1(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V_DYNAMIC围绕1V，i_L1(max)=P_IN/V_AC(min)。

    UCC2851X脚PKLMT外部电阻分压器R₇与R₁₄用作编程过电流门限电压。R₁₄可围绕10kΩ选择，R₇与R₁₄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t_HU，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I_C1(rms)。

    I_C1(rms)取决于开关Q₂的电流I_Q2、占空比D_2(nom)、V_C1(nom)和V_AC(min)。

    <（9）

    I_C1(rms)与I_Q2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V_TH为1.3V，R₅可按式（10）计算。

    R₅=V_TH(1.3V)/i_Q2(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≤i_IAC(t)≤500μA（11）

    0≤V_VOUT(t)≤5V

    1.4V≤V_VFF≤V_REF－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C₇和C₆、R₁₃组成的补偿网络。R₁₃用作设定在交叉频率f_CO(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 f_S(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R₁₆和R₁₉，用作设定最大占空比D_PWM(max)，以防止变压器饱和。R₁₆与R₁₉之比由式（12）确定。

    =－1（12）

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

    D_PWM(max)=(0.26－4.4×10^－8f_s)V_DX＋6.9×10^－8f_s－0.31（13）

    当V_DX=4.15V时，D_PWM(max)=（75±5）％。它比PFC级最大占空比D_PFC(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（f_PFC=1/2f_PWM），V_CC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