基於UCC28600的準諧振反激式開關電源的設計方案

基於UCC28600的準諧振反激式開關電源的設計方案

李惺,靳麗等 發表於 2014-01-08 11:16:32

　　本文提出了一種基於UCC28600控制器的準諧振反激式開關電源的設計方案，該方案分析了準諧振反激式開關電源的工作原理及實現方式，給出了電路及參數設計和選擇過程，以及實際工作開關波形。實驗證明，該方案中所設計的準諧振反激式開關電源具有輸入電壓範圍寬、轉換效率高、低EMI、工作穩定可靠的特點。準諧振技術降低了MOSFET的開關損耗，提高產品可靠性。

　　0 引言

　　準諧振轉換是十分成熟的技術，廣泛用於消費產品的電源設計中。新型的綠色電源系列控制器實現低至150 mW 的典型超低待機功耗。本文將闡述準諧振反激式轉換器是如何提高電源效率以及如何用UCC28600設計準諧振電源。

　　1 常規的硬開關反激電路

　　圖1 所示為常規的硬開關反激式轉換器電路。這種不連續模式反激式轉換器（DCM）一個工作周期分為三個工作區間：（ t0 ~ t1）為變壓器向負載提供能量階段，此時輸出二極體導通，變壓器初級的電流通過Np:Ns的耦合流向輸出負載，逐漸減小。

　　

　　MOSFET電壓由三部分疊加而成：輸入直流電壓VDC、輸出反射電壓VFB、漏感電壓VLK.到 t1 時刻，輸出二極體電流減小到0，此時變壓器的初級電感和和寄生電容構成一個弱阻尼的諧振電路，周期為2π LC 。在停滯區間（ t1~ t2），寄生電容上的電壓會隨振蕩而變化，但始終具有相當大的數值。當下一個周期t2 節點，MOSFET 導通時間開始時，寄生電容（COSS和CW ）上電荷會通過MOSFET放電，產生很大的電流尖峰。由於這個電流出現時MOSFET存在一個很大的電壓，該電流尖峰因此會做成開關損耗。此外，電流尖峰含有大量的諧波含量，從而產生EMI.

　　2 準諧振反激式設計的實現

　　利用檢測電路來有效地「感測」MOSFET 漏源電壓（VDS ）的第一個最小值或谷值，並僅在這時啟動MOS-FET導通時間，由於寄生電容被充電到最低電壓，導通的電流尖峰將會最小化。這情況常被稱為谷值開關（Valley Switching）或準諧振開關。這種電源是由輸入電壓/負載條件決定的可變頻率系統。換言之，調節是通過改變電源的工作頻率來進行，不管當時負載或輸入電壓是多少，MOSFET始終保持在谷底的時候導通。這類型的工作介於連續（CCM） 和不連續條件模式（DCM）之間。因此，以這種模式工作的轉換器被稱作在臨界電流模式（CRM）下工作。臨界模式下MOSFET漏源電壓如圖2所示。

　　

　　在反激式電源設計中採用準諧振開關方案有著許多優點：

　　（1）降低導通損耗

　　由於MOSFET導通具有最小的漏源電壓，故可以減小導通電流尖峰。減輕了MOSFET的壓力，降低器件的溫度。

　　（2）降低輸出二極體反向恢復損耗

　　由於二次側的整流管零電流關斷，反向恢復損耗降低，從而提高電源整體效率。

　　（3）減少EMI

　　導通電流尖峰的減小以及在準諧振過程中存在頻率抖動，將會減小EMI 噪聲，這就減少EMI濾波器的使用數量，從而降低電源成本。

　　3 基於UCC28600 控制器的鎢燈電源的設計

　　3.1 UCC28600控制器的主要特性

　　UCC28600 控制器的主要特性有先進的綠色模式控制方式；低EMI 及低損耗（谷底開關）的準諧振控制方式；空載損耗小於150 mW（低待機電流）；低啟動電流（最大25 μA）；可編程過壓保護（輸入電壓和輸出電壓）；內置過溫保護，溫度回復後可自動重啟；限流保護：逐周期限功率，過電流打嗝式重啟；可編程軟啟動；集成綠色狀態腳（PFC使能端）。

　　3.2 UCC28600工作原理

　　UCC28600內部集成了UVLO比較器，高頻振蕩器，準諧振控制器和軟起動控制器，待機模式跳脈衝比較器，輸入和輸出過電壓保護。其內部結構圖如圖3所示。

　

　　（1）UVLO比較器

　　UCC28600 的VDD 電壓在13 V 起動，在低於8 V 時關閉，有5 V的滯差電壓，可以提高UCC28600工作的穩定性。

　　（2）內部振蕩器

　　UCC28600內部集成了一個40~130 kHz的振蕩器。

　　（3）準諧振控制器和軟起動控制器

　　UCC28600採用準諧振的開關變換器以提高轉換效率，利用變壓器的勵磁磁通，在開關關斷期間，檢測變壓器繞組的輸出電壓，如果電壓偏低及處于振蕩的波谷時，可以確認該時刻變壓器勵磁磁通耗盡，可以開啟下一周期。該準諧振模式可分為臨界導通模式（CRM）和不連續導通模式（DCM）以及頻率調製模式（FFM）。

　　（4）待機模式和跳脈衝比較器

　　當功率繼續減小，UCC28600進入待機模式；頻率調製模式（FFM）頻率下降到40 kHz，不再減小；當FB小於0.6 V 時，開關脈衝輸出關斷，當FB 大於0.7 V 時，開關脈衝正常輸出，從而得到跳脈衝模式的待機工作狀態。

　　（5）輸入和輸出過電壓保護

　　OVP引腳為過電壓（線電壓和負載電壓）輸入腳以及諧振開通的響應腳，此腳通過變壓器初級偏置線圈來偵測輸入過壓，負載過壓及諧振條件，其過壓點可通過與此腳相連的電阻來靈活調節。

　　3.3 鎢燈電源的技術指標

　　輸入電壓：95~260 V AC 50/60 Hz;輸出電壓：5 V;輸出電流：4.3 A;可遙控關閉電源輸出。

　　3.4 電源設計過程

　　鎢燈電源電路圖如圖4所示，交流電源從左上角輸入，經輸入電源濾波器、整流橋、高壓電容，轉為約130~360 V的直流高壓。N14、V30 組成高壓側主電路，將直流高壓斬波為脈衝電壓，通過變壓器耦合，經V12 整流輸出，輸出電容濾波為直流電壓。

　

　　3.4.1 啟動電路

　　由於UCC28600的啟動電流非常小，典型值為12 μA，可以大大降低啟動電阻的功耗，因而啟動電阻由三個300 kΩ的貼片電阻串聯而成。但由於VDD 引腳需要一個足夠的儲能電容防止在工作時出現打嗝現象，帶來的一個問題是VDD 啟動時電壓上升過慢，電源啟動時間過長。解決方法是VDD 引腳採用小電容，反供繞組採用大電容，兩者之間用V34（1N4148）隔離。

　　3.4.2 遙控電路

　　遙控電路用光耦TLP181安全隔離，當遙控信號輸入CTL 端加電流信號時，光耦輸出端導通，通過V33 將UCC28600 的SS 引腳拉低，關閉MOSFET 的驅動信號；通過R32 將VDD 電壓拉低，低於UCC28600的啟動電壓，避免晶片一直處於重啟過程。

　　3.4.3 反饋電路

　　採用TL431採樣輸出端電壓，通過光耦TLP181隔離後反饋到晶片的輸入端。TL431的基準電壓為2.495 V，通過R84、R85 的分壓，將輸出電壓設定在11.5 V.由於負載為固定鎢燈電源，所以不用考慮電源的瞬態相應，故TL431的補償電容採用簡單的Ⅰ類補償，電路簡單，穩定可靠。

　　3.4.4 變壓器設計

　　設在最大負載時，UCC28600工作在準諧振模式，其最大佔空比發生在最低輸入電壓時，在固定輸入電壓和輸入功率的情況下：

　

　　初級繞組採用2×0.35 漆包線，次級採用125 μm 銅箔，採用三明治繞法，磁芯中心柱開氣隙，使ALG 為275 nH/T2.

　　3.5 測試數據

　　3.5.1 電源轉換效率

　　電源在不同輸入輸出條件下效率如圖5所示。

　　

　　3.5.2 不同狀態下的開關管波形

　　電源在不同狀態下的開關管波形如圖6所示。

　

　　由圖6 可以看出，當輸出負載很小時，電源是工作於跳脈衝模式，這樣可以降低開關損耗，提高輕載電源效率；隨著負載加大，電源開始進入頻率調製工作模式。在滿載且輸入電壓較高時，電源工作於頻率較高的準諧振模式；如果輸入電壓較低時，工作模式不變，但開關頻率降低，維持開關管在波形谷底導通。

　　4 結語

　　本文提出的基於UCC28600控制器的準諧振反激式開關電源的設計方案，該方案利用準諧振技術降低了MOSFET的開關損耗。實踐證明，基於UCC28600的準諧振反激式開關電源的設計具有輸入電壓範圍寬、輸出電壓精度高、高轉換效率、低待機功耗等特點。本電源應用於鎢燈電源中，最高效率達到86%，收到了良好效果。（作者：李惺，靳麗，錢躍國，李向鋒）

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