UPC1099集成電路性能與應用

摘要：介紹一種脈寬調制集成電路UPC1099。詳細討論了其內部結構，引腳排列，給出了它的參數限制和在75W直流變換器中的應用技術。

關鍵詞：直流變換器；脈寬調制；集成電路

1? 引言

??? 目前國內通信系統中使用的直流變換器以75W半磚型的＋5V輸出最為普遍。它以體積小、散熱方便、紋波低、轉換效率比較高而得到眾多通信設備廠家的認同。這里介紹一種用UPC1099脈寬調制集成電路組成的75W半磚型直流變換電路模塊。它的集成電路性能優于其他公司的脈寬調制器。其外圍元件少、控制靈活、保護功能齊全、性能可靠、應用方便，是75W直流變換器最佳選擇方案。

2? UPC1099集成電路內部方框圖和引腳功能

??? 引腳及內部方框圖如圖1所示，該電路為16引腳集成電路，各引腳功能如下：

圖1? UPC1099方框圖

??? 腳1為死區時間控制，通過對它的控制可實現軟啟動功能。

??? 腳2、3為反饋端，用以穩定輸出電壓。

??? 腳4、5為誤差放大器的正負輸入端，使用它可以控制電流在給定的范圍內。

??? 腳6為信號地。

??? 腳7為過電流關閉端子。

??? 腳8為輸出管發射極。

??? 腳9為輸出端。

??? 腳10為集電極，一般腳8接地，腳10接集成電路電源。

??? 腳11為集成電路電源端。

??? 腳12為過壓關閉端，當輸入或輸出過壓時可控制它閉鎖輸出，如果需要恢復輸出必須使腳12的電壓降到＋2V以下，并且電源重新啟動一次。

??? 腳13為通斷控制，用它可實現直流變換的遠程遙控。

??? 腳14為電壓基準，可供外電路作為參考電壓。

??? 腳15、16為振蕩頻率控制，分別由R_T、C_T決定。一般C_T取100pF～1500pF、R_T取3kΩ～51kΩ，其振蕩頻率控制在50kHz～500kHz內。對于75W變換器中控制

??? 在450kHz～500kHz之間，以降低變壓器的尺寸和輸出電容的容量。

3? UPC1099的極限值和主要性能指標

??? 1）極限值（T_a=25℃）

??? ——入電壓和輸出電壓26V

??? ——輸出最大電流1.2A

??? ——功耗1000mW

??? ——工作溫度－20～85℃

??? ——貯存溫度－55～150℃

??? 2）封裝形式

??? ——UPC1099CX為普通型（DIP）雙列直插式（引腳間距2.54）

??? ——UPC1099GS為扁平型（FLAT）寬體表貼式（引腳間距1.27）

??? 3）UPC1099主要電性能

??? 主要電性能如表1所示。

表1? UPC1099主要電性能指標

4? 應用電路

??? UPC1099的應用電路很廣泛，下面以正激變換器電路為例作一介紹。電路如圖2所示。輸入電壓V_s=36～72V，輸出電壓V_o=＋5V，輸出電流I_o=0～15A。

圖2? 75W直流變換器電原理圖

??? 圖中R₁、Q₁、R₂、Q₂、C₂、C₃、R₄為啟動開關控制電路，同時Q₁可防止啟動浪涌電流，由于Q₁導通電阻很小，其功耗優于晶閘管和晶體管。C_o、L₁、C₁組成EMI電路，防止變換器對電網干擾。R₁、R₅、R₆、D₂、D₃、C₅、C₆、Q₃是IC₁啟動工作電路。在電路通電后，D₂穩壓管給出15V電壓，由R₆、Q₃、C₅給UPC1099供電，使變換器輸出。此時P₂線圈通過D₃、C₆供給IC₁所需的大電流。同時IC₁的供電電壓是固定的。這樣其工作的波紋很平穩，輸出噪聲很小。C₁₀、R₁₅設定工作頻率。脈沖信號通過R₇、R₈控制Q₄振蕩工作，經P₁至S₁副邊電壓整流濾波輸出。雙肖特基二極管D₄作為副邊繞組S1的整流二極管。L₂為貯能濾波電感。C₁₂、R₁₇組成濾波器，其中C₁₂為片式特質高分子鋁電解電容，它的高頻特性相當好，優于多層超陶電容和片式鉭電容，400kHz下損耗電阻僅為0.09Ω。輸出＋5V電壓經R₂₆、R₂₇取樣與IC₂比較通過IC₃電壓控制電路反饋電壓加在誤差放大器輸入腳2，控制脈寬平穩輸出。R₁₁、R₁₂、C₈作為死區時間設定，C₈也是軟啟動電容。過電流由串接在Q₄源極電阻R₉檢測，信號經限流電阻R₁₀加到IC₁過流端腳7進行保護。

??? 下面按特色功能作一介紹。

??? 1）內部抗干擾吸收網絡

??? 圖2電路中有多處吸收網絡以使整個電路功耗降低，噪聲干擾小，避免電路自激。R₁₇、C₁₂為變壓器原邊P₁的吸收網絡，減小對MOS管反壓過沖和開關功耗。R₁₉、R₂₀、C₁₄、C₁₅為變壓器副邊S₁的吸收網絡，減小肖特基二極管的沖擊和修整波形，使輸出噪聲降低。R₂₃、C₁₈、R₂₅、C₁₉為吸收補償網絡使反饋相位更易同步，減小自激。R₁₈、C₁₃為輸入輸出間吸收網絡，可降低輸出噪聲。C_o、L₁、C₁為EMI電路。

??? 2）平滑防振網絡

??? 平滑防振網絡主要是保證工作狀態下性能穩定。C₁、C₄為輸入濾波平滑電容。C₂、C₃為啟動開關濾波電容及啟動延遲。C₅、C₆、C₉為IC₁的電源濾波和基準電壓濾波。C₇、C₁₁對于過壓過流起平滑作用。R₂₂防止輸出過載時IC₂電流過小的偏置網絡。R₃₂同理。R₂₈、R₂₉防止空載時自激振蕩。R₂₄、D₅為啟動抗沖擊保護電路。

??? 3）保護電路

??? IC₁的腳7為過電流關閉端，當電壓達到200mV時，MOS管Q₄就會逐漸關斷。一旦關斷，則腳7電壓降到0V。

??? IC₁的腳12為過電壓關閉端，輸出過壓經R₃₀、R₃₁取樣與IC₄比較放大通過IC₅反饋至腳12上，使電流經R₁₆升壓，當電壓為2.4V時，腳9停止輸出，電壓馬上下降。如果要解除過壓關閉則電壓必須降至2V以下，而且電源要重新啟動（ON/OFF）一次。

??? 4）振蕩電路

??? 振蕩頻率由腳15、16接的R₁₅、C₁₀決定。R₁₅、C₁₀對頻率的影響如圖3所示。

圖3? C_T、R_T與振蕩頻率f_o的關系

??? 5）線路動態原理設計

??? （1）浪涌電流的防止

??? 浪涌電流的防止電路由R₁、R₂、R₃、Q₁、C₂、C₃、Q₂組成。利用R₁對啟動電流抑制。R₁使48V輸入電壓的最大啟動電流只有4.8A。當C₂充電后Q₁導通短路R₁完成啟動。ON/OFF控制端接高電位或懸空為ON，當接低電位（－48V）時即關斷變換器。

??? （2）工作電路的啟動及參數的選擇

??? 變換器啟動電路包括R₅、R₆、D₂、Q₃、D₃、C₅、C₆，其中D₃、C₆只有在啟動后作供電用，啟動時并不起作用。

??? 當接通電源后，V_s經由R₆、Q₃向C₅充電。在C₅的電壓沒有達到IC₁動作電壓之前，會有小量的待機電流（I_CC）通過UPC1099，大小為0.2mA左右。C₅為10μF左右，V_s=48V時，只要0.5s時間就能升到11.5V。電流值為：

??? i=u_c5·C₅/Δt==0.23mA(1)

??? 該電流應在待機電流以上，到達5mA時IC₁動作。由此選擇R₆為

??? R₆<（2）

式中：V_in(min)為輸入最小電壓36V；

????? V_cc為IC₁動作開始電壓11.5V。

??? 則R₆<===56.98kΩ

??? 當IC₁開始動作，消耗電流為15mA。此時電壓持續上升至14.3V，D₂導通，使IC₁穩定工作，正常工作電流由輔助線圈P₂、D₃、C₆提供，在選擇上注意IC₁元件的離散性。

??? （3）IC1軟啟動功能的實現

??? 為了限制啟動電流，必須使ton時間慢慢增加，toff時間逐漸減小，也就是說，導通占空比逐漸增加。同時啟動時t_off要在某一確定值，即死區時間（Deadtime）之上。IC1的腳1可決定t_off的大小，從表1中可知當腳1電壓在3.5V以上時t_off=100％T_s；2.5V時t_off=50％T_s；1.5V時t_off=0％T_s。圖2中5V參考電壓（腳14）經R₁₁、R₁₂分壓供給腳1。R₁₁與C₈并聯，隨著C₈電容充電逐漸升高，腳1電壓逐漸下降，完成軟啟動過程。經理論計算和實驗確定R₁₁為18kΩ，R₁₂為16kΩ，C₈為0.2μF。

??? （4）過電流值的設計

??? 過電流信號由R₉上獲得，該信號經R₁₀、C₇平滑送至過電流關閉端腳7。R₁₀×C₇的乘積反映了動作的快慢，選擇要適當。由于源極電流的峰值與副邊輸出電流成正比，也和R₉上的電壓成正比，既電流保護曲線為遞減形。以保護電壓為0.22V及R₉為0.045Ω時，匝數比為8/2，且效率為81％為例：副邊的最大輸出電流

??? I_max=××0.81=15.84A（3）

??? （5）過電壓保護

??? 輸出過壓保護環節由R₁₆、C₁₁、R₃₀、R₃₁、R₃₂、R₃₃和IC₄、IC₅等元器件組成。其保護設定由R₃₀、R₃₁取樣調定。按一般公式計算為Vomax=2.5×（1＋）。如果要調整則在IC₄的基準端并聯可調電位器來改變過壓保護點

??? （6）穩壓控制原理設計

??? 穩定電壓由PWM及反饋電壓所組成的環路來保證。在啟動后，腳9輸出脈沖寬度隨腳2反饋的電壓作微小的同步快速調整。如果輸出電壓V_o上升，并聯調整器IC₂的參考電壓上升，IC₂的陰極電流加大，光耦IC₃反饋，使集電極電流增大，電阻R₁₄上的電壓上升，即腳2電位提高，使脈沖寬度變窄把輸出電壓V_o調回到變化之前的位置上。其計算公式為：

??? V_o=×D×V_s（4）

式中：V_o為輸出電壓（V）；

????? n_p，n_s為原，副邊匝數；

????? D為占空比；

????? V_s為輸入電壓。

5? 75W直流變換器性能及尺寸

??? 1）主要電性能

??? 主要電性能見表2。

表2? ＋5V75W直流變換器電性能（T_a=＋25℃）

??? 2）外型尺寸

??? 外型尺寸61mm×58mm×15.5mm，外形與外形尺寸如圖4及圖5所示。其管腳功能如表3所列。

圖4? 外型圖

圖5? 尺寸圖

表3? 引腳功能

??? 3）安裝使用注意事項

??? （1）散熱片一定要安裝在導熱較好的散熱器上，以保證滿載時工作溫度在規定的范圍內，若不能滿足時可加風冷。

??? （2）負載比較遠時必須使用遙測端，將其接至負載兩端，同時加電容濾除噪聲干擾。

??? （3）若輸入端距48V供電源比較遠時，應在模塊附近增加無感電容。

6? 結語

??? 通過以上的選擇與分析，基本確定UPC1099是75W左右的直流變換器在正激式PWM電路中的最佳選擇。同時增加一些元器件可使模塊的功能擴大。這里關鍵性元器件是UPC1099和特質高分子鋁電解電容。如果選用更低內阻的MOS管和同步整流可使效率更高，即可以推出更新更好的產品供通訊設備使用。