先进的PFC/PWM组合控制器UCC28510系列及其应用电
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fpwm可以与fpfc相同，也可以选择fpwm=2fpfc，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（ces）上的电流（ies）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
pfc欠电压锁定
（uvlo）导通门限
/v
pwm滞后电压/v fpfc∶fpwm 1∶1 1∶2 16 1.45 ucc28510 ucc28514 10.2 1.45 ucc28511 ucc28515 16 3.20 ucc28512 ucc28516 10.2 3.20 ucc28513 ucc28517
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vout、输出功率pout和ac线路电压vac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d1（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vac(min)和pfc输出存储电容c1上的电压vc1决定。 d1(min)=1－（1） 2）确定调节常数k1r 能量存储电压的调节常数k1r由式（2）确定。 k1r=（2） 式中：pwm导通参考是6.75v，pwm滞后为1.45v或3.2v，vref=7.5v。因此可得 k1r=0.29（对应ucc28510/28511/28514/28515）； k1r=0.53（对应ucc28512/28513/28516/28517）。 3）最低能量存储电压vc1(min) c1上的最低能量存储电压vc1(min)由k1r和正常状态下c1上的电压vc1(nom)决定。 vc1(min)=(1－k1r)·vc1(nom)(3) 4）编程pwm级开关频率fs(pwm) 用u1脚rt外部电阻r20设定fs(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：ts(pfc)为开关周期； pin为输入功率； krf=δil1(p-p)/il1(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vdynamic围绕1v，il1(max)=pin/vac(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thu，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ic1(rms)。 ic1(rms)取决于开关q2的电流iq2、占空比d2(nom)、vc1(nom)和vac(min)。 <（9） ic1(rms)与iq2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vth为1.3v，r5可按式（10）计算。 r5=vth(1.3v)/iq2(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≤iiac(t)≤500μa（11） 0≤vvout(t)≤5v 1.4v≤vvff≤vref－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fco(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 fs(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dpwm(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vdx时，最大占空比dpwm(max)可由式（13）计算。 dpwm(max)=(0.26－4.4×10－8fs)vdx＋6.9×10－8fs－0.31（13） 当vdx=4.15v时，dpwm(max)=（75±5）％。它比pfc级最大占空比dpfc(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（fpfc=1/2fpwm），vcc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
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如何选择接触器的大小
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pwm滞后电压/v fpfc∶fpwm 1∶1 1∶2 16 1.45 ucc28510 ucc28514 10.2 1.45 ucc28511 ucc28515 16 3.20 ucc28512 ucc28516 10.2 3.20 ucc28513 ucc28517
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vout、输出功率pout和ac线路电压vac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d1（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vac(min)和pfc输出存储电容c1上的电压vc1决定。 d1(min)=1－（1） 2）确定调节常数k1r 能量存储电压的调节常数k1r由式（2）确定。 k1r=（2） 式中：pwm导通参考是6.75v，pwm滞后为1.45v或3.2v，vref=7.5v。因此可得 k1r=0.29（对应ucc28510/28511/28514/28515）； k1r=0.53（对应ucc28512/28513/28516/28517）。 3）最低能量存储电压vc1(min) c1上的最低能量存储电压vc1(min)由k1r和正常状态下c1上的电压vc1(nom)决定。 vc1(min)=(1－k1r)·vc1(nom)(3) 4）编程pwm级开关频率fs(pwm) 用u1脚rt外部电阻r20设定fs(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：ts(pfc)为开关周期； pin为输入功率； krf=δil1(p-p)/il1(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vdynamic围绕1v，il1(max)=pin/vac(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thu，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ic1(rms)。 ic1(rms)取决于开关q2的电流iq2、占空比d2(nom)、vc1(nom)和vac(min)。 <（9） ic1(rms)与iq2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vth为1.3v，r5可按式（10）计算。 r5=vth(1.3v)/iq2(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≤iiac(t)≤500μa（11） 0≤vvout(t)≤5v 1.4v≤vvff≤vref－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fco(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 fs(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dpwm(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vdx时，最大占空比dpwm(max)可由式（13）计算。 dpwm(max)=(0.26－4.4×10－8fs)vdx＋6.9×10－8fs－0.31（13） 当vdx=4.15v时，dpwm(max)=（75±5）％。它比pfc级最大占空比dpfc(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（fpfc=1/2fpwm），vcc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
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