UCC3895控制器的保護(hù)功能及其改進(jìn)

　　引言

　　UCC3895是Unitrode公司生產(chǎn)的一款用于移相全橋開關(guān)電源PWM-ZVS控制的新型控制器件，它是UC3875(79)的改進(jìn)型。盡管UCC3895性能優(yōu)越，具有限流、過(guò)流保護(hù)、電源欠壓保護(hù)、基準(zhǔn)欠壓保護(hù)、軟啟動(dòng)/軟停止等功能,但是，在某些情況下其功能尚不夠完善，仍不能滿足實(shí)際應(yīng)用需要，本文對(duì)UCC3895的保護(hù)功能進(jìn)行了詳盡的分析，并針對(duì)其在兩種情況下的不足對(duì)UCC3895控制器的應(yīng)用進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。

　　UCC3895的保護(hù)功能分析

　　UCC3895內(nèi)部保護(hù)局部電路如圖1所示。

　　圖中，EA為誤差放大器，CSC為限流比較器，OCC為過(guò)流比較器，DISC為禁止比較器，UVLOC、REFC分別為電源欠壓滯回比較器和參考電壓比較器。外部引腳CS端、SS端分別接電流傳感器輸出和軟啟動(dòng)電容。通過(guò)巧妙緊湊的設(shè)計(jì)，UCC3895使得保護(hù)功能和軟啟動(dòng)功能融為一體，具有限流、過(guò)流保護(hù)、電源欠壓保護(hù)、基準(zhǔn)欠壓保護(hù)、軟啟動(dòng)/軟停止等功能。

　　限流、過(guò)流保護(hù)功能分析
　　
　　根據(jù)對(duì)圖1電路的邏輯分析，當(dāng)VCS<2V時(shí)，保護(hù)電路不動(dòng)作，控制器正常工作。當(dāng)2V

　　當(dāng)VCS>2.5V時(shí)，OCC輸出高電平，該高電平一方面通過(guò)或門U2經(jīng)port3迅速使芯片封鎖，從而使主電路停止工作，另一方面使RS觸發(fā)器U1置1，從而使芯片維持封鎖狀態(tài)，以避免系統(tǒng)出現(xiàn)封鎖-短路-封鎖-短路的振蕩狀態(tài)而損壞。由于芯片封鎖、主電路停止工作，短路現(xiàn)象被終止，因此，母線電流及其檢測(cè)信號(hào)迅速下降到零。RS觸發(fā)器U1置1后，其輸出使軟啟動(dòng)電容的1倍參考充電電流關(guān)斷，而使10倍參考放電電流開通，因此，VSS線性下降。當(dāng)VSS下降到低于0.5V后，通過(guò)DISC、U3使芯片封鎖/解鎖邏輯信號(hào)A置1，A置1一方面使RS觸發(fā)器U1復(fù)位，電容由放電轉(zhuǎn)為充電，VSS上升，另一方面使芯片仍然維持封鎖狀態(tài)。當(dāng)VSS上升到高于0.5V后，芯片封鎖狀態(tài)被解除，系統(tǒng)可恢復(fù)正常工作。此后，如果短路故障仍未排除，類似的短路-保護(hù)過(guò)程將重復(fù)出現(xiàn)，所不同的是由于短路時(shí)VSS很小，故封鎖狀態(tài)維持時(shí)間也很短。用Pspice9.1仿真結(jié)果如圖2所示，從圖2中可以看出，短路故障存在的100us內(nèi)，短路-保護(hù)過(guò)程共發(fā)生了4次。

　　欠壓保護(hù)功能

　　圖1中，當(dāng)電源電壓VDD低于9V或參考電壓VREF低于4V時(shí)，比較器UVLOC或REFC輸出低電平，一方面通過(guò)與非門U3，或門U2給出封鎖信號(hào)。使主電路立即停止工作，另一方面，通過(guò)與非門U4使內(nèi)部MOS管M1開通，VSS迅速降到接近零，VSS的低電平又通過(guò)U3使A維持為高電平，以避免在電源電壓在10V附近或參考電壓在4V附近頻繁波動(dòng)時(shí)出現(xiàn)主電路頻繁開啟關(guān)閉而造成的不穩(wěn)定和可能損壞的情況。如果電源電壓一直低于11V，或VREF一直低于4V，則A處將一直維持低電平，芯片始終被封鎖，主電路將一直停止工作。若在某時(shí)刻電源電壓升高到11V以上或VREF升高到4V以上時(shí)， M1被關(guān)斷，軟啟動(dòng)電容又開始由內(nèi)部1倍參考電流源充電，系統(tǒng)又開始重新慢啟動(dòng)和軟啟動(dòng)(UCC3895數(shù)據(jù)手冊(cè)稱這種能自恢復(fù)軟啟動(dòng)的停止為“軟停止”)。電源欠壓保護(hù)的Pspice仿真結(jié)果如圖3所示。

　　圖中，從上到下分別為封鎖信號(hào)port3端邏輯電平、模擬的電源電壓(在大約900us~1100us之間欠電壓)、SS/DISB端電壓、開關(guān)電源主電路輸出電流和主變壓器原邊電壓波形。

　　UCC3895的保護(hù)功能改進(jìn)

　　針對(duì)在反復(fù)短路情況下系統(tǒng)不能被掛起的改進(jìn)

　　由2.1的分析可知，對(duì)于電源系統(tǒng)偶然出現(xiàn)的瞬間短路故障(持續(xù)時(shí)間不大于軟啟動(dòng)電容的放電時(shí)間)，UCC3895能很好地進(jìn)行保護(hù)，并重新軟啟動(dòng)，因此，控制器具有自恢復(fù)功能。但是，若主電路存在不能自消除的長(zhǎng)時(shí)間過(guò)流或短路故障時(shí)，系統(tǒng)將處于頻繁的短路-保護(hù)-短路-保護(hù)狀態(tài)，容易導(dǎo)致電源系統(tǒng)損壞。針對(duì)這種情況，對(duì)UCC3895的保護(hù)功能改進(jìn)如圖4所示。

　　圖中，U1和U2兩片74HC161分別接成四進(jìn)制和十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其中，U2的時(shí)鐘信號(hào)來(lái)自UCC3895的SYNC端。其工作原理是，系統(tǒng)上電之初，D觸發(fā)器U3通過(guò)R3、C1、G4、G5構(gòu)成的復(fù)位電路被清零，D2截止，系統(tǒng)正常工作。計(jì)數(shù)器U2對(duì)UCC3895時(shí)鐘信號(hào)SYNC進(jìn)行十二分頻，以十二倍的時(shí)鐘周期對(duì)四進(jìn)制計(jì)數(shù)器U1清零。當(dāng)電流傳感器輸出電壓大于2.5V時(shí)，比較器COMP1輸出正脈沖，計(jì)數(shù)器U1計(jì)數(shù)。若在任一個(gè)清零周期內(nèi)，電源過(guò)流次數(shù)小于3次，則U1的進(jìn)位信號(hào)C和U3輸出Q始終保持低電平，本部分電路仍不起作用。若在一個(gè)清零周期內(nèi)，電源過(guò)流次數(shù)達(dá)到3次，則U1的進(jìn)位信號(hào)C輸出高電平， C的上升沿將導(dǎo)致U3輸出Q被置1，且始終保持下去，從而UCC3895CS端始終為高電平，系統(tǒng)被掛起以等待檢修，這樣就避免了系統(tǒng)因頻繁重復(fù)短路保護(hù)而損壞，時(shí)序邏輯波形如圖5所示。

　　作為特例，若在前一清零周期內(nèi)，系統(tǒng)已過(guò)流或短路兩次，則在下一清零周期內(nèi)，如短路繼續(xù)存在，則其次數(shù)若再達(dá)到三次系統(tǒng)即被掛起，在這種情況下，系統(tǒng)連續(xù)過(guò)流的次數(shù)最多也只有五次。通過(guò)檢修若確認(rèn)短路或過(guò)流故障已被排除，按一下SW1，U3被復(fù)位，系統(tǒng)又將重新軟啟動(dòng)投入工作。電路中，計(jì)數(shù)器U1和U2所采用的進(jìn)制可根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整。

　　系統(tǒng)軟關(guān)閉功能的實(shí)現(xiàn)

　　在某些應(yīng)用場(chǎng)合下，需要開關(guān)電源較頻繁地停機(jī)和重啟，若頻繁地對(duì)直流母線或交流母線進(jìn)行拉閘和合閘，不僅操作不便，而且對(duì)開關(guān)電源及其負(fù)載造成頻繁沖擊，影響電源系統(tǒng)、機(jī)械開關(guān)的使用壽命，另外還會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重污染。利用UCC3895控制器的SS/DISB功能可方便地解決這一問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軟關(guān)閉，即延緩整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)斷過(guò)程。利用UCC3895的SS/DISB端實(shí)現(xiàn)軟關(guān)閉的電路如圖6所示。

　　需要停機(jī)時(shí)，將S撥到+5V電源上，軟啟動(dòng)電容CSS上的電荷將通過(guò)三極管T放電，VSS/DISB將逐漸減小。由于在UCC3895內(nèi)部，加到PWM比較器同相端的電壓是誤差放大器輸出和SS/DISB上電壓兩者中的較小者，故當(dāng)VSS/DISB減小到小于VEAOUT時(shí)，占空比將由VSS/DISB來(lái)控制，故占空比將逐步減小至零，當(dāng)VSS/DISB減小到小于0.5V時(shí)，控制器輸出徹底被封鎖，軟停機(jī)最終完成。需要重新啟動(dòng)時(shí)，將S撥到“地”上，T截止，UCC3895內(nèi)部1倍參考電流將對(duì)電容CSS充電，系統(tǒng)再次軟啟動(dòng)。電阻R1的大小將決定軟停機(jī)的快慢程度。該方案可實(shí)現(xiàn)“無(wú)級(jí)” 軟停機(jī)，系統(tǒng)關(guān)閉過(guò)程平穩(wěn)。

　　結(jié)語(yǔ)

　　本文對(duì)UCC3895保護(hù)功能進(jìn)行了詳細(xì)地分析，并對(duì)UCC3895控制器在開關(guān)電源系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，克服了其在兩種應(yīng)用場(chǎng)合中的不足，對(duì)開關(guān)電源控制器的設(shè)計(jì)有借鑒意義?！?/p>

　　參考文獻(xiàn)：

　　1.  UCC3895 DATASHEET-BiCMOS Advanced Phase Shift PWM Controller.

　　2.  毛興武等.先進(jìn)的BiCMOS相移式PWM控制器UCC3895[J].通信電源技術(shù),2000,(2):35~38.

　　3.  閻石. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)(第四版)[M]. 北京:高等教育出版社,1998.

　　4.  倪海東 蔣玉萍.高頻開關(guān)電源集成控制器[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.