UPC1099集成電路性能與應(yīng)用

摘要：介紹一種脈寬調(diào)制集成電路UPC1099。詳細(xì)討論了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，引腳排列，給出了它的參數(shù)限制和在75W直流變換器中的應(yīng)用技術(shù)。

關(guān)鍵詞：直流變換器；脈寬調(diào)制；集成電路

1 引言

目前國(guó)內(nèi)通信系統(tǒng)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(zhuǎn)換效率比較高而得到眾多通信設(shè)備廠家的認(rèn)同。這里介紹一種用UPC1099脈寬調(diào)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(yōu)于其他公司的脈寬調(diào)制器。其外圍元件少、控制靈活、保護(hù)功能齊全、性能可靠、應(yīng)用方便，是75W直流變換器最佳選擇方案。

2 UPC1099集成電路內(nèi)部方框圖和引腳功能

引腳及內(nèi)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(qū)時(shí)間控制，通過(guò)對(duì)它的控制可實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)功能。

腳2、3為反饋端，用以穩(wěn)定輸出電壓。

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

腳6為信號(hào)地。

腳7為過(guò)電流關(guān)閉端子。

腳8為輸出管發(fā)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(guò)壓關(guān)閉端，當(dāng)輸入或輸出過(guò)壓時(shí)可控制它閉鎖輸出，如果需要恢復(fù)輸出必須使腳12的電壓降到＋2V以下，并且電源重新啟動(dòng)一次。

腳13為通斷控制，用它可實(shí)現(xiàn)直流變換的遠(yuǎn)程遙控。

腳14為電壓基準(zhǔn)，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(nèi)。對(duì)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(biāo)

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(biāo)

4 應(yīng)用電路

UPC1099的應(yīng)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(dòng)開(kāi)關(guān)控制電路，同時(shí)Q₁可防止啟動(dòng)浪涌電流，由于Q₁導(dǎo)通電阻很小，其功耗優(yōu)于晶閘管和晶體管。C_o、L₁、C₁組成EMI電路，防止變換器對(duì)電網(wǎng)干擾。R₁、R₅、R₆、D₂、D₃、C₅、C₆、Q₃是IC₁啟動(dòng)工作電路。在電路通電后，D₂穩(wěn)壓管給出15V電壓，由R₆、Q₃、C₅給UPC1099供電，使變換器輸出。此時(shí)P₂線圈通過(guò)D₃、C₆供給IC₁所需的大電流。同時(shí)IC₁的供電電壓是固定的。這樣其工作的波紋很平穩(wěn)，輸出噪聲很小。C₁₀、R₁₅設(shè)定工作頻率。脈沖信號(hào)通過(guò)R₇、R₈控制Q₄振蕩工作，經(jīng)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(zhì)高分子鋁電解電容，它的高頻特性相當(dāng)好，優(yōu)于多層超陶電容和片式鉭電容，400kHz下?lián)p耗電阻僅為0.09Ω。輸出＋5V電壓經(jīng)R₂₆、R₂₇取樣與IC₂比較通過(guò)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(wěn)輸出。R₁₁、R₁₂、C₈作為死區(qū)時(shí)間設(shè)定，C₈也是軟啟動(dòng)電容。過(guò)電流由串接在Q₄源極電阻R₉檢測(cè)，信號(hào)經(jīng)限流電阻R₁₀加到IC₁過(guò)流端腳7進(jìn)行保護(hù)。

下面按特色功能作一介紹。

1）內(nèi)部抗干擾吸收網(wǎng)絡(luò)

圖2電路中有多處吸收網(wǎng)絡(luò)以使整個(gè)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(wǎng)絡(luò)，減小對(duì)MOS管反壓過(guò)沖和開(kāi)關(guān)功耗。R₁₉、R₂₀、C₁₄、C₁₅為變壓器副邊S₁的吸收網(wǎng)絡(luò)，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(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)使反饋相位更易同步，減小自激。R₁₈、C₁₃為輸入輸出間吸收網(wǎng)絡(luò)，可降低輸出噪聲。C_o、L₁、C₁為EMI電路。

2）平滑防振網(wǎng)絡(luò)

平滑防振網(wǎng)絡(luò)主要是保證工作狀態(tài)下性能穩(wěn)定。C₁、C₄為輸入濾波平滑電容。C₂、C₃為啟動(dòng)開(kāi)關(guān)濾波電容及啟動(dòng)延遲。C₅、C₆、C₉為IC₁的電源濾波和基準(zhǔn)電壓濾波。C₇、C₁₁對(duì)于過(guò)壓過(guò)流起平滑作用。R₂₂防止輸出過(guò)載時(shí)IC₂電流過(guò)小的偏置網(wǎng)絡(luò)。R₃₂同理。R₂₈、R₂₉防止空載時(shí)自激振蕩。R₂₄、D₅為啟動(dòng)抗沖擊保護(hù)電路。

3）保護(hù)電路

IC₁的腳7為過(guò)電流關(guān)閉端，當(dāng)電壓達(dá)到200mV時(shí)，MOS管Q₄就會(huì)逐漸關(guān)斷。一旦關(guān)斷，則腳7電壓降到0V。

IC₁的腳12為過(guò)電壓關(guān)閉端，輸出過(guò)壓經(jīng)R₃₀、R₃₁取樣與IC₄比較放大通過(guò)IC₅反饋至腳12上，使電流經(jīng)R₁₆升壓，當(dāng)電壓為2.4V時(shí)，腳9停止輸出，電壓馬上下降。如果要解除過(guò)壓關(guān)閉則電壓必須降至2V以下，而且電源要重新啟動(dòng)（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(duì)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(guān)系

5）線路動(dòng)態(tài)原理設(shè)計(jì)

（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(duì)啟動(dòng)電流抑制。R₁使48V輸入電壓的最大啟動(dòng)電流只有4.8A。當(dāng)C₂充電后Q₁導(dǎo)通短路R₁完成啟動(dòng)。ON/OFF控制端接高電位或懸空為ON，當(dāng)接低電位（－48V）時(shí)即關(guān)斷變換器。

（2）工作電路的啟動(dòng)及參數(shù)的選擇

變換器啟動(dòng)電路包括R₅、R₆、D₂、Q₃、D₃、C₅、C₆，其中D₃、C₆只有在啟動(dòng)后作供電用，啟動(dòng)時(shí)并不起作用。

當(dāng)接通電源后，V_s經(jīng)由R₆、Q₃向C₅充電。在C₅的電壓沒(méi)有達(dá)到IC₁動(dòng)作電壓之前，會(huì)有小量的待機(jī)電流（I_CC）通過(guò)UPC1099，大小為0.2mA左右。C₅為10μF左右，V_s=48V時(shí)，只要0.5s時(shí)間就能升到11.5V。電流值為：

i=u_c5·C₅/Δt==0.23mA(1)

該電流應(yīng)在待機(jī)電流以上，到達(dá)5mA時(shí)IC₁動(dòng)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(dòng)作開(kāi)始電壓11.5V。

則R₆===56.98kΩ

當(dāng)IC₁開(kāi)始動(dòng)作，消耗電流為15mA。此時(shí)電壓持續(xù)上升至14.3V，D₂導(dǎo)通，使IC₁穩(wěn)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(dòng)功能的實(shí)現(xiàn)

為了限制啟動(dòng)電流，必須使ton時(shí)間慢慢增加，toff時(shí)間逐漸減小，也就是說(shuō)，導(dǎo)通占空比逐漸增加。同時(shí)啟動(dòng)時(shí)t_off要在某一確定值，即死區(qū)時(shí)間（Deadtime）之上。IC1的腳1可決定t_off的大小，從表1中可知當(dāng)腳1電壓在3.5V以上時(shí)t_off=100％T_s；2.5V時(shí)t_off=50％T_s；1.5V時(shí)t_off=0％T_s。圖2中5V參考電壓（腳14）經(jīng)R₁₁、R₁₂分壓供給腳1。R₁₁與C₈并聯(lián)，隨著C₈電容充電逐漸升高，腳1電壓逐漸下降，完成軟啟動(dòng)過(guò)程。經(jīng)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)確定R₁₁為18kΩ，R₁₂為16kΩ，C₈為0.2μF。

（4）過(guò)電流值的設(shè)計(jì)

過(guò)電流信號(hào)由R₉上獲得，該信號(hào)經(jīng)R₁₀、C₇平滑送至過(guò)電流關(guān)閉端腳7。R₁₀×C₇的乘積反映了動(dòng)作的快慢，選擇要適當(dāng)。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(hù)曲線為遞減形。以保護(hù)電壓為0.22V及R₉為0.045Ω時(shí)，匝數(shù)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(guò)電壓保護(hù)

輸出過(guò)壓保護(hù)環(huán)節(jié)由R₁₆、C₁₁、R₃₀、R₃₁、R₃₂、R₃₃和IC₄、IC₅等元器件組成。其保護(hù)設(shè)定由R₃₀、R₃₁取樣調(diào)定。按一般公式計(jì)算為Vomax=2.5×（1＋）。如果要調(diào)整則在IC₄的基準(zhǔn)端并聯(lián)可調(diào)電位器來(lái)改變過(guò)壓保護(hù)點(diǎn)

（6）穩(wěn)壓控制原理設(shè)計(jì)

穩(wěn)定電壓由PWM及反饋電壓所組成的環(huán)路來(lái)保證。在啟動(dòng)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(diào)整。如果輸出電壓V_o上升，并聯(lián)調(diào)整器IC₂的參考電壓上升，IC₂的陰極電流加大，光耦I(lǐng)C₃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(diào)回到變化之前的位置上。其計(jì)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(shù)；

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(jiàn)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(xiàng)

（1）散熱片一定要安裝在導(dǎo)熱較好的散熱器上，以保證滿載時(shí)工作溫度在規(guī)定的范圍內(nèi)，若不能滿足時(shí)可加風(fēng)冷。

（2）負(fù)載比較遠(yuǎn)時(shí)必須使用遙測(cè)端，將其接至負(fù)載兩端，同時(shí)加電容濾除噪聲干擾。

（3）若輸入端距48V供電源比較遠(yuǎn)時(shí)，應(yīng)在模塊附近增加無(wú)感電容。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)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(shí)增加一些元器件可使模塊的功能擴(kuò)大。這里關(guān)鍵性元器件是UPC1099和特質(zhì)高分子鋁電解電容。如果選用更低內(nèi)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(chǎn)品供通訊設(shè)備使用。