自然交互式两相CRM型PFC控制器UCC28060

自然交互式两相自然交互式两相 CRM 型型 PFC 控制器控制器 UCC28060 为降低 EMI 减小 BULK 电容及其电压纹波 交互式 PFC 在功率大于 300W 时具有明显优势 UCC28060 即为此设计的新品 特点如下 很容易作相位管理 仍满足轻载的效率标准 两相都有由检测输出电压做的防止 OVP 故障的功能 无需检测电流整形 简化了 PCB 布局 提高了效率 消除了输出整流器的反向恢复损耗 防止了 MOSFET 导通时的冲击电流 UCC28060 组成系统后具有下列优点 低成本高效率 比单相 CCM 型更具有柔性 输入滤波及输出电容电流互补对消 减小了纹波电流 减小了 EMI 滤波器 的尺寸 可用低成本升压二极管 不用 R C 吸收回路 改善了轻载效率 改善了瞬态响应 此款控制器可用于 200W 1000W 的 AC DC 它扩展了 CRM 的应用区间 降低了成本 整个系统加入了布朗保护 输出的 OVP 开环 过载保护 并有 软起动 相位错开检测及热关断保护 其共有 16PIN 功能如下 AGND 6PIN 模拟地 外接模拟信号旁路电容 补偿元件及模拟信号的 回归点 然后以单一点接功率地 以隔开大电流的噪声 COMP 5PIN 误差放大器的输出 其为跨导放大器 此输出是一个高阻 抗 源 接到电压调整器的环路补偿元件 即接于此端到 GND 栅驱动输出的 导通时间正比于此端电压再减去 125mV 的偏移 在软起动中 COMP 端被拉低 通常仅工作在软起动之后 在故障时 COMP 端放电到 0 5V 以下 电路将以低 的 COMP 电压和短的时间重新起动 不要将 COMP 接到低阻抗源 这会使其 出现故障 CS 10PIN 电流检测输入 接到电流检测电阻和整流桥的负端 电流检 测电阻的回流端用独立轨迹接到模拟地 随着电流的增大 CS 上的电压在增高 变得更负 这个逐个周期式过流保护限制输入电流 它去关断两路栅驱动脉冲 此时 CS 的电压会超出 200mV 阈值 输出保持低电平直到 CS 端降回 15mv 阈 值 电流检测信号被消隐 100ns 跟随每个 GD 脉冲的下降沿 这个消隐滤除在 电流开关从 MOSFET 到升压二极管时的噪声 在多数情况下 没有附加电流检 测滤波器的要求 如果需要可串一电阻 阻值在 100 以下 以保持精度 为 防止过负的电压在 CS 端出现 接在电流检测电阻到 CS 端可用一低值外部电阻 此电阻小于 100 以保持精度 GDA 14PIN 通道 A 输出驱动 GDB 11PIN 通道 B 输出驱动 外部以最短路经接到功率 MOSFET 的栅 极 若必须有较长的轨迹 长过 12 6mm 即会出现振铃 串入 5 10 电阻 可以克服之 HVSEN 8PIN 高压输出检测 UCC28060 加入了安全的 OVP 任何信号 失效都不允许输出电压升到安全电平以上 输出过压监视由 Vsense 和 HVSEN 两者监视 其中之一超出合理的过压阈值即关断 PWM 用两个端子监视过压 提供了庸余保护和允许的偏差 HVSEN 还可以用于使能及工作区域内的 HVSEN 电压关断变换器的操作 选择 HVSEN 分压电阻比 应对过压和电源好 阈值 决不能降到 0 8V 以下 若将 HVSEN 拉到 0 8V 以下 会使 UCC28060 进入专门的测试模式 这仅用于工厂测试 从 HVSEN 到 AGND 加一支旁路电 容 滤除噪声 并防止栅驱动噪声 PGND 13PIN 集成电路的功率地 栅驱动输出及 VCC 部分的公共端 然后用独立线与 AGND 连接 PHB 4PIN B 路的使能端 它用于开启或关断 B 路升压变换器 当通道 B 被禁止时 A 通道即被命令导通 它帮助保持 COMP 电压在传输管理期间恒 定 PHB 阈值随线路电压范围变化 当 PHB 接到 COMP 时有最好的效率 PHB 还能由外部逻辑信号驱动 以便允许用户的相位调制 若禁止相位管理 可将 PHB 端接到 VREF 端 PWMCNTL 9PIN PWM 使能逻辑输出 这是开路漏极输出 在 HVSEN 好的区域内 其变为低电平 ZCDA 和 ZCDB 输入在工作于两相时可以正确地 开关 除非 PWMCMTL 为高阻抗状态 TSET 3PIN 时间设置 PWM 导通时间调节输入 从 TSET 到 AGND 接 一支电阻 设置导通时间与 COMP 电压比较 给出栅驱动输出的最小周期 VCC 12PIN IC 供电端 将此端接到 14V 21V 的供电电源上 同时外接 0 1uf 电容到 PGND 作旁路 它给器件内所有电路供电 并能给出功率 MOSFET 的栅驱动电流 VINAC 7PIN AC 电压检测输入端 在正常工作时外接电阻分压器 电 阻分压器从 AC 整流到 GND 它检测输入电压范围 以设置斜波斜率 并作布 朗输出检测 在输入电压变化时 VINAC 上的峰值电压达到阈值以上时 此时 的 VINAC 上的电压仍在布朗输出值以下 此因其滤波时间导致 器件进入布 朗输出保护模式 两输出驱动都被禁止 选择输入电压分压器比可得到所要的 布朗保护阈值及功率范围 选择分压器阻抗得到布朗输出的窗口值 VREF 15PIN 基准电压 外接 0 1uf 电容旁路到 AGND 此 6V 基准可 用于外部其它部分的需要 能供出 2mA 电流 VSENSE 2PIN 输出电压检测端 将此端接到电阻分压器 分压器接到 输出电压 误差放大器基准为 6V 选择分压器电阻比 得到所要的输出电压 其接地端要用独立引线接到 BULK 电容输出 以得到最好的调整率和最低的噪 声 VSENSE 可由开路漏极逻辑输出拉低 或用 6V 逻辑插入由一支低漏电流 的二极管去禁止输出 并减小 VCC 电流 如果 VSENSE 没有连接 则开环保 护提供一个内部电流源将 VSENSE 拉低来关断栅驱动输出 ZCDA 16PIN ZCDB 1PIN 分别为两路的零电流检测输入端 此输入在电感电流变到 0 时 可见到脉冲负沿 输入箝制在 0V 3V 信号通过串一支电阻来耦合 它 可限制电流在 3mA 此端通过限流电阻接到应对升压电感的过 0 检测 电感 线圈必须连接以作过 0 检测 当电感电流为 0 时 ZCD 输入必须降到 1V 以下 的阈值 以使栅驱动输出再次升起 当功率 MOSFET 关闭时 ZCD 输入必须 升到上阈值 1 7V 以上 以给另一个下降的 ZCD 沿装备逻辑 UCC28060 内部等效电路见图 1 图 1 UCC28060 的内部等效方框电路 UCC28060 工作原理 UCC28060 包括两个 BOOST 脉宽调制器的控制电路 BOOST 的 PWM 功 率变换电感中斜波电流正比于误差放大器上的输出电压决定的时间周期 每个 功率变换器关断功率开关直到电感中电流到 0 检测此 0 电流输入 ZCDA ZCDB 一旦电感中电流到 0 功率变换器又开始新周期 此 ON OFF 周期产生一个三角波电流 它由导通时间及输入电压设置 如 1 式 1 平均线路电流实际等于峰值线路电流的一半 见 2 式 2 在 AC 线路周期 TON和 L 实际上是恒定的 结果三角波电流波形在每个 开关周期中都有一个平均值 其正比于整流线路电压的瞬时值 这个结构使得 在线路频率下呈现电阻输入的阻抗特性 并且接近单位功率因数 两个 PWM 工作在 180 度的相位差 所以线路的纹波电流比单相的 PFC 减少一半 这种设 计减小了输入及输出端的纹波电流 减小了输入输出滤波器的体积 如果两个独立的功率级导通时间匹配的话 最佳的相位平衡出现 电感值 的失配不会影响相位关系 导通时间控制 最高频率限制 重新起动时段 栅驱动导通时间随误差放大器的输出电压变化 称作 KT因子 3 此处 Vcomp 是误差放大器的输出电压 125mV 为调节的偏移 为补偿线路电压变化的影响改变增益时 KT在低线是高线的三倍 如 4 式 4 为了在两相之间及单相工作时提供锯齿传输 KT增加 2 倍 在高线且为单相工作 在低线且为单相工作 为了箝制误差放大器的输出在 4 95V 此值要少于 125mV 的调制偏移 限 制的导通时间如 5 式 5 此导通时间限制设在最大功率 此为变换器在给定电压水平送出的最大功 率 每相的开关频率由最小周期时间决定 如果电流在最小周期时间之前减到 0 导通时间就延迟 此为断续电流阶段 重新起动时间在所有情况下由重新起动两相保证 如果每相的 ZCD 输入没 有从高到低传输到 200us 为防止电路工作在连续导通模式 CCM 重起时间不 去触发开关导通 直到两相电流都到 0 导通时间因子 KTH KTHS KTL KTLS 和最小开关周期 TMIN正比于由 RTSET 设置的时间 此电阻从 TSET 到 GND 由 6 8 式给出 在高线范围有效 在低线范围有效 此为最小开关周期 RTSET合适的选值可以箝制最大导通时间 Ton max 此时变换器工作在最小 输入线路电压及最大负载时 自然式交互工作 在通常工作条件下 UCC28060 由两相的 A 通道及 B 通道的电感电流相差 180 度的相位关系 这减小了纹波电流 输入及输出 相位控制功能不同于调制 A B 通道的导通时间是基于相位频率关系 这种自然的交互方法允许变换器 实现 180 度相移 而传导型工作对两相升压电感的偏差没有要求 结果 A B 两相的电流均衡情况正比于电感值的偏差 最好的电流均衡可以在两个 电感值相同时实现 容易的相位管理 在轻载条件下 由于小的负载电流仅有小的导通损耗 但有大的开关损耗 它由 MOSFET 的结电容放电导致 此时关断两功率 MOSFET 之一 减小开关 损耗 增加一点导通损耗 在保持功率水平之下 减小的开关损耗效果大于增 加的导通损耗 可以得到更好的效率 这个特点也是交互式 PFC 的优点之一 特别在为了满足轻载功耗时 容易的相位管理功能允许用户关断一个功率级 以实现更高的效率 此时 将 PHB 端接到 COMP 端即可 基于理论分析和实践结果 UCC28060 可预置相 位管理阈值 即可改善效率 根据 COMP 端的电压 很容易做相位管理 即根 据功率水平去关断 B 相 关断阈值与功率水平见表 1 表 1 采用将 PHB 接到 COMP 的方法做相位管理 PHB 端还可以用外部逻辑信号驱动 做习惯性相位管理 若为禁止相位管 理 可将 PHB 接到 VREF 端即可 过零检测和谷底开关 传输型 PFC 电路中 MOSFET 在升压电感电流过 0 时开启 由于升压电感 和 MOSFET 寄生电容的谐振 储存在 MOSFET 结电容中的能量可以回收以减 少开关损耗 进一步当整流输入电压少于输出电压的一半时 储存在 MOSFET 结电容中的全部能量都可回收 实现零电压开关 加入一个附加延迟 MOSFET 导通时在谐振谷底处开启 用此方法将开关损耗减至最小 RC 时间常数通常根据经验决定 但好的起始点等于谐振周期的 25 延 迟可以用一个简单的滤波器实现 如图 2 因 ZCD 端内部箝制更精确的延迟可 用图 3 的电路 图 2 简单的 RC 延迟电路 图 3 更精确的延迟电路 布朗输出保护 随着线路均方根电压的下降 RMS 电流增大 以保持输出电压恒定 布朗 保护可防止 RMS 输入电流超过安全水平 输入的 RMS 电压在 VIN AC 端检测 当加到 VIN AC 端的电压降到布朗保护阈值时 PFC 两输出驱动立即停止 变 为低电平 在布朗输出保护期间 COMP 端被拉低 栅驱动输出要待到 VIN AC 电压上升到阈值以上时才开始软起动 安全的输出过压保护 OVP 安全的 OVP 防止任何信号失效导致的输出电压超出安全水平 从输出电压 检测提供一个附加的应对 OVP 的保护 输出过压保护功能通过两个独立通道执 行 VSENSE 和 HVSEN 变换器在检测出 OV 之后关断驱动 输出电压也可用 环路故障做 OVP 当检测端输入回到正常时 栅驱动输出仍在 PWM 控制之下 在输出过压时电路不会引起软起动 COMP 端也不会放电 过流保护 在临界条件下 PFC 的功率级有较大电流 在此条件下 要有效地保护开 关 传统的电流检测方法用并联电阻与 MOSFET 源极串联 以检测变换器电流 结果导致多个接地点及高功耗 进一步因为在 MOSFET 关断没有电流信息 所 以源极电阻电流的检测方法要取代之 这使 MOSFET 工作在连续电流模式 CCM 经验系由升压二极管超出的反向恢复电流导致的失效 UCC28060 使用单一电阻连续检测整个电感电流 此方法在 MOSFET 导通 时可以完全防止电感电流超出 到整个电感电流为 0 时 驱动 MOSFET 才禁止 排除了反向恢复电流导致的失效 下面的过流条件下 两个 MOSFET 同时开启 此时输入电流降到接近 0 因为两相电流是暂时工作在同相 设置过流保护阈值是每相最大电流纹波的两 倍 这可允许在过流故障之后回到正常工作 相位失效保护 UCC28060 用监视 ZCD 脉冲顺序的方法检测出一相的故障后 在正常的两 相工作时 如果一个 ZCD 输入仍为理想状态 即长过 14ms 而另一 ZCD 输入 开关正常 则 PWMCNTL 变为高电平 即指示功率级没有正常工作 在正常的 单相工作时 相位失效没有被监视 减小畸变 由于开关 MOSFET 的源漏电容和升压电感之间的谐振 传统的 CRM 型功 率因数校正电路不能在输入电压过 0 时从 AC 线路吸收能量 这个限制会使波 形畸变 并增加谐波畸变 为了减小线路电流畸变到最低水平 UCC28060 在 输入电压过 0 时增加开关 MOSFET 的导通时间 以增加功率吸附和对此效应的 补偿 改善误差放大器 电压误差放大器是一个跨导放大器 电压环的补偿系从放大器输出端 COMP 接到 AGND 推荐网络如图 4 图 4 典型的误差放大器补偿电路 图 5 误差放大器的方框电路 为了改善瞬态响应 误差放大器输出电流增加到 100uA 此时 误差放大 器输入端低于 5 815V 见图 5 这个增加允许快速的补偿元件充电 迅速跟随 负载电流的增加 开环保护 如果反馈环路与器件断开 内部电流源令 UCC28060 将 VSENSE 端电平拉 向地端 当 VSENSE 电压降到 1 2V 以下时 IC 被禁止工作 当 IC 被禁止时 电源电流减小 两个栅驱动输出及 COMP 被拉低 IC 在 VSENSE 端电压重新 升到 1 25V 以上时使能 在此时 栅驱动输出又开始 直到接受 PWM 控制 IC 也可以由外部将 VSENSE 端接地来禁止 用开路漏极或集电极来驱动之 当禁止时 IC 电流降下 COMP 拉低 当 VSENSE 释放时 IC 重新软起动 这种禁止方法强制器件进入待机模式 以减小功耗 这个特色在待机电源成为 关键设计时非常有用 如果反馈环从 GND 断开 VSENSE 电压变为高电平 当 VSENSE 升到过 压保护水平时 两栅驱动也变低 COMP 也被拉低 在 VSENSE 电压降回到应 有范围时 器件重新起动 在此时 栅驱动输出开始在 PWM 控制下工作 VSENSE 端在内部箝制以保护器件在此条件下不损坏 软起动 PWM 逐步从 0 导通上升到正常导通 随 COMP 端到 GND 的补偿电容充 电从低到正常值 这个过程即是软起动 用的时间常数由误差放大器输出电流 和补偿电容值来设置 在布朗输出保护时 逻辑被禁止 或 VCC 欠压故障 COMP 有效拉低 在这些事件之后都要软起动 甚至故障发生非常短暂 软起 动在重新工作之前也会整个放掉补偿元件的电荷 以确保软起动 轻载工作 随着负载电流的减小 误差放大器命令按低的 COMP 电压减小输入电流 如果 PHB 在低线输入时降到 0 8V 以下 或在高线输入时降到 1 1V 以下 通道 B 停止开关 而通道 A 的导通时间加倍做补偿 如果 COMP 降到 150mV 以下 通道 A 也停止开关 环路进入滞后控制模式 PWM 以跨越周期式工作来保持 输出稳压 命令下游的变换器 在 UCC28060 中 PWMCNTL 端用于协调 PFC 级和下游的 DC DC 变换器 它通过 PWMCNTL 端检测输出电压 当输出电压在所需范围内时 PWM CNTL 端拉到地电平 用于控制命令下游的变换器 使能阈值和窗口可以独立 调节 通过一个分压器选好电阻比值 HVSEN 端还用于安全的输出的 OVP 保 护 设计分压器时 要确认安全过压保护水平 以设置正常工作水平 VCC 欠压保护 VCC 供电电压升到欠压阈值以上时 PWM 功能才开始 如果 VCC 工作时 降到阈值以下 两个栅驱动输出及 COMP 都被拉低 VCC 必须升到 PWM 功能 起动阈值以上 VCC 在 13V 21V 之间工作 最好给出稳压源供电 外加齐纳 二极管保护 布朗输出保护及线路电压范围检测 VIN AC 外接电压分压器 它从整流输出到 GND 提供布朗输出检测 选择 是低还是高的主线路工作 布朗输出时段在 VIN AC 峰值电压低于布朗检测阈 值时 它比布朗输出滤波时段长 当 VIN AC 峰值电压达到布朗输出恢复阈值 时 布朗输出保护被消除掉 在一个软起动之后 电路恢复正常工作 布朗输出检测阈值及其窗口用电压分压比来设置 此端还检测输入线路电 压范围设置相应的导通时间因子 布朗输出保护以及线路范围检测基于 VIN AC 的峰值电压 阈值及窗口还基于线路的峰值电压 VIN AC 的峰值电压可以 很容易地转成 RMS 值 建议分压器电阻值从整流输入电压到 VIN AC 为 3M 1 从 VIN AC 到 GND 为 46 1 此电阻设置典型阈值的 RMS 线 路电压给出于表 2 表 2 布朗输出保护范围及阈值窗口 由 UCC28060 控制的两相交互式 PFC 预调整器电路如图 6 图 6 采用 UCC28060 的交互式 PFC 的予调整器电路 设计程序如下 1 选择电感 升压电感的选择根据输入低线电压时所需要的最大电感纹波电流来决定 首先决定此时的占空比 D 9 变换器在此时的最低工作频率是 fmin 45KHz 所以 电感量 L 是 10 对于此设计 电感的峰值电流是 I LOEAK为 5 4A 均方根值是 I LRMS 2 2A 11 12 变换器使用恒定导通时间和零电流开关来设置的时序 L1 的辅助线圈关断 L2 检测出电感电流为零时 选择的匝比见 13 式 选择的机理是在每次开关周 期后 至少有 2V 的峰值让 ZCD 比较器复位 辅助线圈的匝比为 13 2 ZCD 电阻的选择 RZA RZB ZCD 电阻最小值的选择基于内部齐纳箝制的最大电流比 5mA 如 14 式 14 在此设计中 ZCD 电阻选择 20K 如 15 式 15 3 HVSENSE HVSENSE 端调节 UCC28060 的 PWMCNTL 输出 PWMCNTL 为开路漏极输出 可 用于在 PFC 输出电容充电时禁止下游的变换器 PWMCNTL 开始为高阻抗 并且 在 HVSENSE 增加到 2 5V 时将其拉到 GND 设置点为 PWMCNTL 变成主动需要电压 分压器从高压到 HVSEN 端再到 GND 16 20 式示出如何设置 PWMCNTL 令其 在输出电压达到正常值 90 时激活 16 电阻 RE设置电压分压器的高边 并调节 PWMCNTL 信号的窗口 对于此例 RE选择提供 99V 的窗口 17 电阻 RF用于调节 PWMCNTL 的激活阈值 见 18 式 18 PWMCNTL 输出保持激活直到达到最小输出电压 VOUT MIN 如 19 式 19 根据电阻值 安全的 OVP 阈值根据 20 式设置 20 4 输出电容的选择 输出电容的选择根据所需要的保持时间 如 21 式 21 采用两个 100uF 的电容并联作为输出电容 22 对于此电容 输出电压纹波为 11V 见 23 式 此外 根据保持时间的要求 电容的选择要适应低频 RMS 电流和高频 RMS 电流 见 24 26 式 23 25 26 5 应对峰值电流的限制选择 RS UCC28060 的峰值电流限制比较器检测整个的输入电流 并且用于保护功 率 MOSFET 的冲击电流和过载电流 为了可靠性 峰值电流限制阈值在此设计 中设置在正常建起功率的冲击电流的 120 处 见 27 式 27 选择一个 15m 的金属膜电阻用于电流检测 见 28 式 29 式给出其功 率耗散 在正常工作条件下 应该小于 0 25W 28 29 选择电流检测电阻最临界的参数为浪涌比率 电阻需要应对保险丝烧断时 的大的短路电流 I2 t 是测量其能流过电流所需 以满足保险丝的要求 此处 I2 t 为