UPC1099集成电路性能与应用
upc1099集成电路性能与应用
摘要：介绍一种脉宽调制集成电路upc1099。详细讨论了其内部结构，引脚排列，给出了它的参数限制和在75w直流变换器中的应用技术。
关键词：直流变换器；脉宽调制；集成电路
1 引言
目前国内通信系统中使用的直流变换器以75w半砖型的＋5v输出最为普遍。它以体积小、散热方便、纹波低、转换效率比较高而得到众多通信设备厂家的认同。这里介绍一种用upc1099脉宽调制集成电路组成的75w半砖型直流变换电路模块。它的集成电路性能优于其他公司的脉宽调制器。其外围元件少、控制灵活、保护功能齐全、性能可靠、应用方便，是75w直流变换器最佳选择方案。
2 upc1099集成电路内部方框图和引脚功能
引脚及内部方框图如图1所示，该电路为16引脚集成电路，各引脚功能如下：
图1 upc1099方框图
脚1为死区时间控制，通过对它的控制可实现软启动功能。
脚2、3为反馈端，用以稳定输出电压。
脚4、5为误差放大器的正负输入端，使用它可以控制电流在给定的范围内。
脚6为信号地。
脚7为过电流关闭端子。
脚8为输出管发射极。
脚9为输出端。
脚10为集电极，一般脚8接地，脚10接集成电路电源。
脚11为集成电路电源端。
脚12为过压关闭端，当输入或输出过压时可控制它闭锁输出，如果需要恢复输出必须使脚12的电压降到＋2v以下，并且电源重新启动一次。
脚13为通断控制，用它可实现直流变换的远程遥控。
脚14为电压基准，可供外电路作为参考电压。
脚15、16为振荡频率控制，分别由rt、ct决定。一般ct取100pf～1500pf、rt取3kω～51kω，其振荡频率控制在50khz～500khz内。对于75w变换器中控制
在450khz～500khz之间，以降低变压器的尺寸和输出电容的容量。
3 upc1099的极限值和主要性能指标
1）极限值（ta=25℃）
——入电压和输出电压26v
——输出最大电流1.2a
——功耗1000mw
——工作温度－20～85℃
——贮存温度－55～150℃
2）封装形式
——upc1099cx为普通型（dip）双列直插式（引脚间距2.54）
——upc1099gs为扁平型（flat）宽体表贴式（引脚间距1.27）
3）upc1099主要电性能
主要电性能如表1所示。
表1 upc1099主要电性能指标
参数
测试条件
最小值
典型值
最大值
符号
单位
整体性能
ic电压
11.5
15
24
vcc
v
待机电流
vcc=8v,－10℃≤ta≤85℃
0.05
0.1
0.2
icc
ma
工作电流
vcc=24v,vd=2.7v无负载
10
15
icc
ma
基准电压部分
输出电压
iref=0
4.8
5
5.2
vref
v
输入稳定度
11.5v≤vcc≤20v,iref=0
1
10
regin
mv
负载稳定度
0≤iref≤3ma
6.5
12
regl
mv
温度变化
iref=0,－10℃≤ta≤85℃
400
700
vref/δt
μv/℃
输出短路电流
vref=0
13
ishot
ma
振荡部分
最高频率
200
500
fmax
khz
最低频率
50
fmin
khz
pwm比较器
输入偏压电流
vd=0.54vref－10℃≤ta≤85℃
10
ib
μa
截止电压（低）
1.5
vth(l)
v
截止电压（高）
3.5
vth(h)
v
死区与温度变化
3
δdt/δt
％
过电压关闭
过电压检测点
－10℃≤ta≤85℃ovl端子电压=vin(ovl)
2.0
2.4
2.8
vth(ovl)
v
输入偏压电流
4
ib
μa
ovl解除电压
2
vr(ovl)
v
检测延迟时间
750
tl(ovl)
ns
过电流关闭
过流检测电压（＋）
－10℃≤ta≤85℃
200
220
240
vth(ocl)
mv
过流检测电压（－)
－230
210
－190
vth(ocl)
mv
ocl端子输出电流
250
is(ocl)
μa
检测延迟时间
150
tl(ocl)
ns
4 应用电路 upc1099的应用电路很广泛，下面以正激变换器电路为例作一介绍。电路如图2所示。输入电压vs=36～72v，输出电压vo=＋5v，输出电流io=0～15a。 图2 75w直流变换器电原理图 图中r1、q1、r2、q2、c2、c3、r4为启动开关控制电路，同时q1可防止启动浪涌电流，由于q1导通电阻很小，其功耗优于晶闸管和晶体管。co、l1、c1组成emi电路，防止变换器对电网干扰。r1、r5、r6、d2、d3、c5、c6、q3是ic1启动工作电路。在电路通电后，d2稳压管给出15v电压，由r6、q3、c5给upc1099供电，使变换器输出。此时p2线圈通过d3、c6供给ic1所需的大电流。同时ic1的供电电压是固定的。这样其工作的波纹很平稳，输出噪声很小。c10、r15设定工作频率。脉冲信号通过r7、r8控制q4振荡工作，经p1至s1副边电压整流滤波输出。双肖特基二极管d4作为副边绕组s1的整流二极管。l2为贮能滤波电感。c12、r17组成滤波器，其中c12为片式特质高分子铝电解电容，它的高频特性相当好，优于多层超陶电容和片式钽电容，400khz下损耗电阻仅为0.09ω。输出＋5v电压经r26、r27取样与ic2比较通过ic3电压控制电路反馈电压加在误差放大器输入脚2，控制脉宽平稳输出。r11、r12、c8作为死区时间设定，c8也是软启动电容。过电流由串接在q4源极电阻r9检测，信号经限流电阻r10加到ic1过流端脚7进行保护。 下面按特色功能作一介绍。 1）内部抗干扰吸收网络 图2电路中有多处吸收网络以使整个电路功耗降低，噪声干扰小，避免电路自激。r17、c12为变压器原边p1的吸收网络，减小对mos管反压过冲和开关功耗。r19、r20、c14、c15为变压器副边s1的吸收网络，减小肖特基二极管的冲击和修整波形，使输出噪声降低。r23、c18、r25、c19为吸收补偿网络使反馈相位更易同步，减小自激。r18、c13为输入输出间吸收网络，可降低输出噪声。co、l1、c1为emi电路。 2）平滑防振网络 平滑防振网络主要是保证工作状态下性能稳定。c1、c4为输入滤波平滑电容。c2、c3为启动开关滤波电容及启动延迟。c5、c6、c9为ic1的电源滤波和基准电压滤波。c7、c11对于过压过流起平滑作用。r22防止输出过载时ic2电流过小的偏置网络。r32同理。r28、r29防止空载时自激振荡。r24、d5为启动抗冲击保护电路。 3）保护电路 ic1的脚7为过电流关闭端，当电压达到200mv时，mos管q4就会逐渐关断。一旦关断，则脚7电压降到0v。 ic1的脚12为过电压关闭端，输出过压经r30、r31取样与ic4比较放大通过ic5反馈至脚12上，使电流经r16升压，当电压为2.4v时，脚9停止输出，电压马上下降。如果要解除过压关闭则电压必须降至2v以下，而且电源要重新启动（on/off）一次。 4）振荡电路 振荡频率由脚15、16接的r15、c10决定。r15、c10对频率的影响如图3所示。 图3 ct、rt与振荡频率fo的关系 5）线路动态原理设计 （1）浪涌电流的防止 浪涌电流的防止电路由r1、r2、r3、q1、c2、c3、q2组成。利用r1对启动电流抑制。r1使48v输入电压的最大启动电流只有4.8a。当c2充电后q1导通短路r1完成启动。on/off控制端接高电位或悬空为on，当接低电位（－48v）时即关断变换器。 （2）工作电路的启动及参数的选择 变换器启动电路包括r5、r6、d2、q3、d3、c5、c6，其中d3、c6只有在启动后作供电用，启动时并不起作用。 当接通电源后，vs经由r6、q3向c5充电。在c5的电压没有达到ic1动作电压之前，会有小量的待机电流（icc）通过upc1099，大小为0.2ma左右。c5为10μf左右，vs=48v时，只要0.5s时间就能升到11.5v。电流值为： i=uc5·c5/δt==0.23ma(1) 该电流应在待机电流以上，到达5ma时ic1动作。由此选择r6为 r6<（2） 式中：vin(min)为输入最小电压36v； vcc为ic1动作开始电压11.5v。 则r6<===56.98kω 当ic1开始动作，消耗电流为15ma。此时电压持续上升至14.3v，d2导通，使ic1稳定工作，正常工作电流由辅助线圈p2、d3、c6提供，在选择上注意ic1元件的离散性。 （3）ic1软启动功能的实现 为了限制启动电流，必须使ton时间慢慢增加，toff时间逐渐减小，也就是说，导通占空比逐渐增加。同时启动时toff要在某一确定值，即死区时间（deadtime）之上。ic1的脚1可决定toff的大小，从表1中可知当脚1电压在3.5v以上时toff=100％ts；2.5v时toff=50％ts；1.5v时toff=0％ts。图2中5v参考电压（脚14）经r11、r12分压供给脚1。r11与c8并联，随着c8电容充电逐渐升高，脚1电压逐渐下降，完成软启动过程。经理论计算和实验确定r11为18kω，r12为16kω，c8为0.2μf。 （4）过电流值的设计 过电流信号由r9上获得，该信号经r10、c7平滑送至过电流关闭端脚7。r10×c7的乘积反映了动作的快慢，选择要适当。由于源极电流的峰值与副边输出电流成正比，也和r9上的电压成正比，既电流保护曲线为递减形。以保护电压为0.22v及r9为0.045ω时，匝数比为8/2，且效率为81％为例：副边的最大输出电流 imax=××0.81=15.84a（3） （5）过电压保护 输出过压保护环节由r16、c11、r30、r31、r32、r33和ic4、ic5等元器件组成。其保护设定由r30、r31取样调定。按一般公式计算为vomax=2.5×（1＋）。如果要调整则在ic4的基准端并联可调电位器来改变过压保护点 （6）稳压控制原理设计 稳定电压由pwm及反馈电压所组成的环路来保证。在启动后，脚9输出脉冲宽度随脚2反馈的电压作微小的同步快速调整。如果输出电压vo上升，并联调整器ic2的参考电压上升，ic2的阴极电流加大，光耦ic3反馈，使集电极电流增大，电阻r14上的电压上升，即脚2电位提高，使脉冲宽度变窄把输出电压vo调回到变化之前的位置上。其计算公式为： vo=×d×vs（4） 式中：vo为输出电压（v）； np，ns为原，副边匝数； d为占空比； vs为输入电压。 5 75w直流变换器性能及尺寸 1）主要电性能 主要电性能见表2。 表2 ＋5v75w直流变换器电性能（ta=＋25℃） 参数 测试条件 最小值 典型值 最大值 符号 单位 输出电源设定精度 vs=48v,io=15a 4.95 5.05 vo v 源效应 vs=36～72v,io=15a 0.2 sv ％ 负载效应 vs=48v,io=0.5～15a 0.5 si ％ 温度系数 vs=48v,io=15a ±0.05 st ％/℃ 输出过压保护 关断型 110 120 ％ 过流保护 vo=48v，自启动 120 150 ％ 开关频率 450 500 fo khz 工作壳温范围 底板壳温 －40 100 ta ℃ 贮存壳温范围 底板壳温 －40 125 t ℃ 纹波噪声 100mhz示波器 50 vop－p mv 效率 vo=48v,io=15a 81 η ％ 输入输出绝缘电阻 10 ri－o mω 遥控关断 逻辑低 接输入低电平 模块“高” 逻辑高 悬空或接输入高电平 模块“低”
2）外型尺寸 外型尺寸61mm×58mm×15.5mm，外形与外形尺寸如图4及图5所示。其管脚功能如表3所列。 图4 外型图 图5 尺寸图 表3 引脚功能 管脚 符号 功能 1 ＋vi 正输入 2 rem 遥控端 3 case 外壳 4 －vi 负输入 5 －vo 负输出 6 －s 遥测负 7 trim 调节端 8 ＋s 遥测正 9 ＋vo 正输出
3）安装使用注意事项
（1）散热片一定要安装在导热较好的散热器上，以保证满载时工作温度在规定的范围内，若不能满足时可加风冷。 （2）负载比较远时必须使用遥测端，将其接至负载两端，同时加电容滤除噪声干扰。 （3）若输入端距48v供电源比较远时，应在模块附近增加无感电容。 6 结语 通过以上的选择与分析，基本确定upc1099是75w左右的直流变换器在正激式pwm电路中的最佳选择。同时增加一些元器件可使模块的功能扩大。这里关键性元器件是upc1099和特质高分子铝电解电容。如果选用更低内阻的mos管和同步整流可使效率更高，即可以推出更新更好的产品供通讯设备使用。
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4 应用电路 upc1099的应用电路很广泛，下面以正激变换器电路为例作一介绍。电路如图2所示。输入电压vs=36～72v，输出电压vo=＋5v，输出电流io=0～15a。 图2 75w直流变换器电原理图 图中r1、q1、r2、q2、c2、c3、r4为启动开关控制电路，同时q1可防止启动浪涌电流，由于q1导通电阻很小，其功耗优于晶闸管和晶体管。co、l1、c1组成emi电路，防止变换器对电网干扰。r1、r5、r6、d2、d3、c5、c6、q3是ic1启动工作电路。在电路通电后，d2稳压管给出15v电压，由r6、q3、c5给upc1099供电，使变换器输出。此时p2线圈通过d3、c6供给ic1所需的大电流。同时ic1的供电电压是固定的。这样其工作的波纹很平稳，输出噪声很小。c10、r15设定工作频率。脉冲信号通过r7、r8控制q4振荡工作，经p1至s1副边电压整流滤波输出。双肖特基二极管d4作为副边绕组s1的整流二极管。l2为贮能滤波电感。c12、r17组成滤波器，其中c12为片式特质高分子铝电解电容，它的高频特性相当好，优于多层超陶电容和片式钽电容，400khz下损耗电阻仅为0.09ω。输出＋5v电压经r26、r27取样与ic2比较通过ic3电压控制电路反馈电压加在误差放大器输入脚2，控制脉宽平稳输出。r11、r12、c8作为死区时间设定，c8也是软启动电容。过电流由串接在q4源极电阻r9检测，信号经限流电阻r10加到ic1过流端脚7进行保护。 下面按特色功能作一介绍。 1）内部抗干扰吸收网络 图2电路中有多处吸收网络以使整个电路功耗降低，噪声干扰小，避免电路自激。r17、c12为变压器原边p1的吸收网络，减小对mos管反压过冲和开关功耗。r19、r20、c14、c15为变压器副边s1的吸收网络，减小肖特基二极管的冲击和修整波形，使输出噪声降低。r23、c18、r25、c19为吸收补偿网络使反馈相位更易同步，减小自激。r18、c13为输入输出间吸收网络，可降低输出噪声。co、l1、c1为emi电路。 2）平滑防振网络 平滑防振网络主要是保证工作状态下性能稳定。c1、c4为输入滤波平滑电容。c2、c3为启动开关滤波电容及启动延迟。c5、c6、c9为ic1的电源滤波和基准电压滤波。c7、c11对于过压过流起平滑作用。r22防止输出过载时ic2电流过小的偏置网络。r32同理。r28、r29防止空载时自激振荡。r24、d5为启动抗冲击保护电路。 3）保护电路 ic1的脚7为过电流关闭端，当电压达到200mv时，mos管q4就会逐渐关断。一旦关断，则脚7电压降到0v。 ic1的脚12为过电压关闭端，输出过压经r30、r31取样与ic4比较放大通过ic5反馈至脚12上，使电流经r16升压，当电压为2.4v时，脚9停止输出，电压马上下降。如果要解除过压关闭则电压必须降至2v以下，而且电源要重新启动（on/off）一次。 4）振荡电路 振荡频率由脚15、16接的r15、c10决定。r15、c10对频率的影响如图3所示。 图3 ct、rt与振荡频率fo的关系 5）线路动态原理设计 （1）浪涌电流的防止 浪涌电流的防止电路由r1、r2、r3、q1、c2、c3、q2组成。利用r1对启动电流抑制。r1使48v输入电压的最大启动电流只有4.8a。当c2充电后q1导通短路r1完成启动。on/off控制端接高电位或悬空为on，当接低电位（－48v）时即关断变换器。 （2）工作电路的启动及参数的选择 变换器启动电路包括r5、r6、d2、q3、d3、c5、c6，其中d3、c6只有在启动后作供电用，启动时并不起作用。 当接通电源后，vs经由r6、q3向c5充电。在c5的电压没有达到ic1动作电压之前，会有小量的待机电流（icc）通过upc1099，大小为0.2ma左右。c5为10μf左右，vs=48v时，只要0.5s时间就能升到11.5v。电流值为： i=uc5·c5/δt==0.23ma(1) 该电流应在待机电流以上，到达5ma时ic1动作。由此选择r6为 r6<（2） 式中：vin(min)为输入最小电压36v； vcc为ic1动作开始电压11.5v。 则r6<===56.98kω 当ic1开始动作，消耗电流为15ma。此时电压持续上升至14.3v，d2导通，使ic1稳定工作，正常工作电流由辅助线圈p2、d3、c6提供，在选择上注意ic1元件的离散性。 （3）ic1软启动功能的实现 为了限制启动电流，必须使ton时间慢慢增加，toff时间逐渐减小，也就是说，导通占空比逐渐增加。同时启动时toff要在某一确定值，即死区时间（deadtime）之上。ic1的脚1可决定toff的大小，从表1中可知当脚1电压在3.5v以上时toff=100％ts；2.5v时toff=50％ts；1.5v时toff=0％ts。图2中5v参考电压（脚14）经r11、r12分压供给脚1。r11与c8并联，随着c8电容充电逐渐升高，脚1电压逐渐下降，完成软启动过程。经理论计算和实验确定r11为18kω，r12为16kω，c8为0.2μf。 （4）过电流值的设计 过电流信号由r9上获得，该信号经r10、c7平滑送至过电流关闭端脚7。r10×c7的乘积反映了动作的快慢，选择要适当。由于源极电流的峰值与副边输出电流成正比，也和r9上的电压成正比，既电流保护曲线为递减形。以保护电压为0.22v及r9为0.045ω时，匝数比为8/2，且效率为81％为例：副边的最大输出电流 imax=××0.81=15.84a（3） （5）过电压保护 输出过压保护环节由r16、c11、r30、r31、r32、r33和ic4、ic5等元器件组成。其保护设定由r30、r31取样调定。按一般公式计算为vomax=2.5×（1＋）。如果要调整则在ic4的基准端并联可调电位器来改变过压保护点 （6）稳压控制原理设计 稳定电压由pwm及反馈电压所组成的环路来保证。在启动后，脚9输出脉冲宽度随脚2反馈的电压作微小的同步快速调整。如果输出电压vo上升，并联调整器ic2的参考电压上升，ic2的阴极电流加大，光耦ic3反馈，使集电极电流增大，电阻r14上的电压上升，即脚2电位提高，使脉冲宽度变窄把输出电压vo调回到变化之前的位置上。其计算公式为： vo=×d×vs（4） 式中：vo为输出电压（v）； np，ns为原，副边匝数； d为占空比； vs为输入电压。 5 75w直流变换器性能及尺寸 1）主要电性能 主要电性能见表2。 表2 ＋5v75w直流变换器电性能（ta=＋25℃） 参数 测试条件 最小值 典型值 最大值 符号 单位 输出电源设定精度 vs=48v,io=15a 4.95 5.05 vo v 源效应 vs=36～72v,io=15a 0.2 sv ％ 负载效应 vs=48v,io=0.5～15a 0.5 si ％ 温度系数 vs=48v,io=15a ±0.05 st ％/℃ 输出过压保护 关断型 110 120 ％ 过流保护 vo=48v，自启动 120 150 ％ 开关频率 450 500 fo khz 工作壳温范围 底板壳温 －40 100 ta ℃ 贮存壳温范围 底板壳温 －40 125 t ℃ 纹波噪声 100mhz示波器 50 vop－p mv 效率 vo=48v,io=15a 81 η ％ 输入输出绝缘电阻 10 ri－o mω 遥控关断 逻辑低 接输入低电平 模块“高” 逻辑高 悬空或接输入高电平 模块“低”
2）外型尺寸 外型尺寸61mm×58mm×15.5mm，外形与外形尺寸如图4及图5所示。其管脚功能如表3所列。 图4 外型图 图5 尺寸图 表3 引脚功能 管脚 符号 功能 1 ＋vi 正输入 2 rem 遥控端 3 case 外壳 4 －vi 负输入 5 －vo 负输出 6 －s 遥测负 7 trim 调节端 8 ＋s 遥测正 9 ＋vo 正输出
3）安装使用注意事项
（1）散热片一定要安装在导热较好的散热器上，以保证满载时工作温度在规定的范围内，若不能满足时可加风冷。 （2）负载比较远时必须使用遥测端，将其接至负载两端，同时加电容滤除噪声干扰。 （3）若输入端距48v供电源比较远时，应在模块附近增加无感电容。 6 结语 通过以上的选择与分析，基本确定upc1099是75w左右的直流变换器在正激式pwm电路中的最佳选择。同时增加一些元器件可使模块的功能扩大。这里关键性元器件是upc1099和特质高分子铝电解电容。如果选用更低内阻的mos管和同步整流可使效率更高，即可以推出更新更好的产品供通讯设备使用。
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