先進的PFC/PWM組合控制器UCC28510系列及其應用電路設計

摘要：介紹了PFC/PWM組合控制器UCC28510系列的主要特點及其應用電路設計程序。

關鍵詞：PFC/PWM組合集成電路；UCC28510系列；應用電路；設計

1??? 引言

??? 德州儀器（TI）公司新推出的UCC28510系列PFC/PWM組合控制器，含有8個型號（從UCC28510到UCC28517）。這些控制器PFC級和PWM級柵極驅動源電流和阱電流，由先前同類器件的0.3～1.5A分別增加到2A和3A，從而使離線式開關電源（SMPS）的功率提高到300W以上。該功率等級屬于業界真正要求的嚴格限制諧波含量的SMPS功率范疇。

??? 由于UCC28510系列PFC/PWM組合控制器在設計上有許多創新，在通用AC線路輸入（85～265V）和負載范圍內，電流諧波含量完全符合ICE1000-3-2標準要求，線路功率因數非常接近于1。同時，PFC升壓變換器輸出紋波電流明顯減小，系統瞬態響應得到提高。與先前的PFC/PWM組合控制器比較，采用該系列控制器可使SMPS系統電路進一步簡化，從而有助于降低系統成本，節省空間，提高系統功率密度和可靠性。

2??? 主要特點

??? UCC28510系列控制器具有以下幾方面的特點。

??? 1）采用20引腳PDIP或20引腳SOICW封裝（功率耗散分別為1W和0.7W），工作結溫范圍為－50℃～150℃。

??? 2）將連續傳導模式（CCM）平均電流型控制PFC控制器和峰值電流模式PWM級電路集成在同一芯片上，設計新穎，結構緊湊，如圖1所示。

??? 3）PFC控制器中的三輸入高度線性化的乘法器和跨導（gm）電壓誤差放大器大大地提高了電路的瞬變響應。

??? 4）PWM控制器最大占空比可編程設定，并且開關頻率f_PWM可以與f_PFC相同，也可以選擇f_PWM=2f_PFC，具體如表1所列。

??? 5）為了減小PFC升壓預調節器輸出電容器上的紋波電流，PFC和PWM級分別采用前沿調制和后沿調制。圖2示出了UCC28510系列脈沖前沿/后沿調制（LEM/TEM）控制器與傳統后沿/后沿調制（ TEM/TEM）PFC與PWM組合控制器在能量貯存電容器（C_ES）上的電流（i_ES）對比。

圖1??? UCC28510系列PFC/PWM控制器內部結構

圖2??? 前沿/后沿調制（LEM/TEM）紋波電流與后沿/后沿調制（TEM/TEM）比較

??? 此外，UCC28510系列PFC/PWM組合控制器還具有可編程軟啟動，PFC輸入電壓前饋控制，峰值電流和功率限制，零功率檢測和過電壓保護等特征。

表1??? UCC28510系列ICs之間的主要不同點

3??? 應用電路及設計

3.1??? 應用電路

??? UCC2851X作為控制器的PFC升壓預變換器與回掃（反激）式PWM功率級SMPS電路如圖3所示。圖中，UCC2851X（U₁）中的PFC控制器、升壓電感器L₁、PFC開關（Q₁）、升壓二極管D3和輸出電容器C₁等，組成有源PFC升壓預變換器。R₃和R₄組成的電阻分壓器用作PFC變換器DC輸出電壓（400V）檢測，感測信號通過U₁的腳3輸入到內部以7.5V為參考的誤差放大器。正比于整流電壓的電流信號經電阻R₁和U₁的IAC腳（腳18）輸入到內部乘法器，以保證整流器（D₁）輸入端的AC電流跟蹤AC線路電壓瞬時變化軌跡。電阻R2是PFC級電流感測元件。R₂上感測的電壓信號分別經U₁腳16（ISENSE1）和腳14（PKLMT）輸入到內部電流放大器和PFC電流限制比較器，以履行PFC級PWM脈沖占空比控制和峰值電流控制。

圖3??? UCC2851X典型應用電路

??? R₆和C₃是U₁啟動元件。當U₁被啟動Q₁開始開關之后，變壓器T₁的輔助繞組、二極管D₅和電容C₃組成的電源電路為U₁提供工作電壓（和電流）。U₁腳2（RT）外部電阻R₂₀用作設定振蕩器頻率。

??? U₁腳4外部R₁₆和R₁₉組成的電阻分壓器，用作編程PWM最大占空比。電阻R₅為PWM級電流感測元件。R₂上感測的電壓信號經U₁腳8（ISENSE2）輸入，以履行峰值電流限制。U₁腳13（SS2）外部電容C₅，用作編程PWM級柵極驅動軟啟動持續時間。SMPS次級DC輸出到初級的反饋環路，由電阻分壓器、作為誤差放大器使用的U₃（TL431）和光耦合器U₂組成。U₁的腳7（VERR）接收反饋信號，以控制PWM占空比。

3.2??? 主要元件參數確定的方法

3.2.1??? 設計程序

??? 設計程序參考圖3所示的應用電路。首先選擇UCC28510系列ICs中的一種控制器，再按以下步驟進行設計：

??? 1）功率級元器件；

??? 2）PFC級控制元件；

??? 3）PWM級控制元件。

??? 元件的確定必須根據給定的技術條件，具體包括系統輸出電壓V_OUT、輸出功率P_OUT和AC線路電壓V_AC范圍。其它的技術要求有效率和允許的電流諧波等。

3.2.2??? 確定相關參數

??? 1）PFC級最小占空比D_1（min)

??? PFC升壓變換器在CCM下操作，最小占空比由最低AC線路電壓V_AC(min)和PFC輸出存儲電容C₁上的電壓V_C1決定。

??? D_1(min)=1－（1）

??? 2）確定調節常數K_1R

??? 能量存儲電壓的調節常數K_1R由式（2）確定。

??? K_1R=（2）

式中：PWM導通參考是6.75V，PWM滯后為1.45V或3.2V，V_REF=7.5V。因此可得

??? K_1R=0.29（對應UCC28510/28511/28514/28515）；

??? K_1R=0.53（對應UCC28512/28513/28516/28517）。

??? 3）最低能量存儲電壓V_C1(min)

??? C₁上的最低能量存儲電壓V_C1(min)由K_1R和正常狀態下C₁上的電壓V_C1(nom)決定。

??? V_C1(min)=(1－K_1R)·V_C1(nom)(3)

??? 4）編程PWM級開關頻率f_s(PWM)

??? 用U₁腳RT外部電阻R₂₀設定f_s(PWM)

??? R₂₀=（4）

??? 推薦R₂₀=45～500kΩ。

3.2.3??? 元器件的確定

??? 1）功率級元器件

??? 在圖3所示的電路中，功率級元器件包括C₁～C₃、D₁～D₅、L₁、R₁、Q₁、Q₂和T₁。因篇幅所限，PWM功率級元器件Q₂、D₄、D₅、C₂和變壓器T₁不在此討論。在PFC級元器件C₁、C₃、D₁～D₃和Q₁中，除C₁因PFC/PWM同步化要求需要討論外，其它元器件選擇方法在固定頻率PFC設計中都有介紹，故也不再涉及。

??? （1）升壓電感器L₁

??? PFC升壓電感器L₁可利用式（5）計算。

??? L₁=（5）

式中：T_S(PFC)為開關周期；

????? P_IN為輸入功率；

????? K_RF=Δi_L1(p-p)/i_L1(max)=0.2～0.3，為紋波因數。

??? （2）電流傳感電阻R₂和PFC峰值電流限制編程電阻R₁₇與R14PFC級電流感測電阻R₂可由式（6）確定。

??? R₂=（6）

??? 在式（6）中，R₂操作動態范圍V_DYNAMIC圍繞1V，i_L1(max)=P_IN/V_AC(min)。

??? UCC2851X腳PKLMT外部電阻分壓器R₇與R₁₄用作編程過電流門限電壓。R₁₄可圍繞10kΩ選擇，R₇與R₁₄之間關系如下。

??? =（7）

??? （3）電容器C₁

??? PFC升壓變換器輸出電容器C₁的選擇必須保證要求的支持（hold-up）時間t_HU，其容值由式（8）確定。

??? C₁=（8）

??? C₁還必須能經受住有效值紋波電流I_C1(rms)。

??? I_C1(rms)取決于開關Q₂的電流I_Q2、占空比D_2(nom)、V_C1(nom)和V_AC(min)。

??? <（9）

??? I_C1(rms)與I_Q2之比率可以從UCC2851X的相關曲線上查出。

??? （4）PWM級電流感測電阻R₅

??? UCC2851X腳8內部峰值電流限制比較器的輸入門限電壓V_TH為1.3V，R₅可按式（10）計算。

??? R₅=V_TH(1.3V)/i_Q2(peak)（10）

??? 2）PFC級控制元件

??? （1）乘法器動態范圍設定

??? 乘法器動態范圍依賴于PFC/PWM組合控制器IAC、VAOUT和VFF腳上的電流或電壓。這幾個參數的限制條件如下：

??? 0≤i_IAC(t)≤500μA（11）

??? 0≤V_VOUT(t)≤5V

??? 1.4V≤V_VFF≤V_REF－1.4V

??? 相關元件的選擇如表2所列。

表2??? 乘法器相關元件計算公式

??? （2）PFC電流環路控制元件

??? 在U₁的電流放大器輸出（腳15）與電流放大器反相輸入端（腳17）之間，在外部連接由C₇和C₆、R₁₃組成的補償網絡。R₁₃用作設定在交叉頻率f_CO(PFC)上補償器增益，選擇C₆在交叉頻率上設置一個零點，C₇用作在開關頻率 f_S(PWM)的1/2處提供一個極點。這三個元件的計算公式如表3所列。

表3??? PFC電流環路控制元件計算公式

??? 3）PWM級控制元件

??? U₁腳4外部電阻R₁₆和R₁₉，用作設定最大占空比D_PWM(max)，以防止變壓器飽和。R₁₆與R₁₉之比由式（12）確定。

??? =－1（12）

??? 當腳4上電壓為V_DX時，最大占空比D_PWM(max)可由式（13）計算。

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

??? 當V_DX=4.15V時，D_PWM(max)=（75±5）％。它比PFC級最大占空比D_PFC(max)〔95±5）％〕小一些。

??? 4）元器件選擇舉例

??? 對于圖3所示的應用電路，若AC輸入范圍為85～265V，PFC級電路DC輸出電壓是400V，輸出功率為100W，U₁選用UCC28517（f_PFC=1/2f_PWM），V_CC腳電源12V，PFC級和變壓器初級PWM級電路主要元器件的選擇如下：

??? （1）功率器件和磁性元件

??? Q₁和Q₂選用IRFP450型MOSFET，D₁選用PB66全橋整流器，D₂選用G1756二極管，D₃選用HFA08TB60快速恢復二極管。升壓電感器L₁電感值為1.7mH，變壓器T₁選用PB2039。

??? （2）阻容元件

??? 主要阻容元件數值如表4所列。

表4??? 阻容元件的選擇

?