UCC3895控制器的保護功能及其改進

　　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)的改進型。盡管UCC3895性能優(yōu)越，具有限流、過流保護、電源欠壓保護、基準欠壓保護、軟啟動/軟停止等功能,但是，在某些情況下其功能尚不夠完善，仍不能滿足實際應(yīng)用需要，本文對UCC3895的保護功能進行了詳盡的分析，并針對其在兩種情況下的不足對UCC3895控制器的應(yīng)用進行了改進設(shè)計。

　　UCC3895的保護功能分析

　　UCC3895內(nèi)部保護局部電路如圖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電容。通過巧妙緊湊的設(shè)計，UCC3895使得保護功能和軟啟動功能融為一體，具有限流、過流保護、電源欠壓保護、基準欠壓保護、軟啟動/軟停止等功能。

　　限流、過流保護功能分析
　　
　　根據(jù)對圖1電路的邏輯分析，當VCS<2V時，保護電路不動作，控制器正常工作。當2V

　　當VCS>2.5V時，OCC輸出高電平，該高電平一方面通過或門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，母線電流及其檢測信號迅速下降到零。RS觸發(fā)器U1置1后，其輸出使軟啟動電容的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VSS下降到低于0.5V后，通過DISC、U3使芯片封鎖/解鎖邏輯信號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-保護過程將重復(fù)出現(xiàn)，所不同的是由于短路時VSS很小，故封鎖狀態(tài)維持時間也很短。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-保護過程共發(fā)生了4次。

　　欠壓保護功能

　　圖1中，當電源電壓VDD低于9V或參考電壓VREF低于4V時，比較器UVLOC或REFC輸出低電平，一方面通過與非門U3，或門U2給出封鎖信號。使主電路立即停止工作，另一方面，通過與非門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附近頻繁波動時出現(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。若在某時刻電源電壓升高到11V以上或VREF升高到4V以上時， M1被關(guān)斷，軟啟動電容又開始由內(nèi)部1倍參考電流源充電，系統(tǒng)又開始重新慢啟動和軟啟動(UCC3895數(shù)據(jù)手冊稱這種能自恢復(fù)軟啟動的停止為“軟停止”)。電源欠壓保護的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的保護功能改進

　　針對在反復(fù)短路情況下系統(tǒng)不能被掛起的改進

　　由2.1的分析可知，對于電源系統(tǒng)偶然出現(xiàn)的瞬間短路故障(持續(xù)時間不大于軟啟動電容的放電時間)，UCC3895能很好地進行保護，并重新軟啟動，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時間過流或短路故障時，系統(tǒng)將處于頻繁的短路-保護-短路-保護狀態(tài)，容易導致電源系統(tǒng)損壞。針對這種情況，對UCC3895的保護功能改進如圖4所示。

　　圖中，U1和U2兩片74HC161分別接成四進制和十二進制計數(shù)器，其中，U2的時鐘信號來自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。計數(shù)器U2對UCC3895時鐘信號SYNC進行十二分頻，以十二倍的時鐘周期對四進制計數(shù)器U1清零。當電流傳感器輸出電壓大于2.5V時，比較器COMP1輸出正脈沖，計數(shù)器U1計數(shù)。若在任一個清零周期內(nèi)，電源過流次數(shù)小于3次，則U1的進位信號C和U3輸出Q始終保持低電平，本部分電路仍不起作用。若在一個清零周期內(nèi)，電源過流次數(shù)達到3次，則U1的進位信號C輸出高電平， C的上升沿將導致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)短路保護而損壞，時序邏輯波形如圖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)若再達到三次系統(tǒng)即被掛起，在這種情況下，系統(tǒng)連續(xù)過流的次數(shù)最多也只有五次。通過檢修若確認短路或過流故障已被排除，按一下SW1，U3被復(fù)位，系統(tǒng)又將重新軟啟動投入工作。電路中，計數(shù)器U1和U2所采用的進制可根據(jù)系統(tǒng)實際需要進行調(diào)整。

　　系統(tǒng)軟關(guān)閉功能的實現(xiàn)

　　在某些應(yīng)用場合下，需要開關(guān)電源較頻繁地停機和重啟，若頻繁地對直流母線或交流母線進行拉閘和合閘，不僅操作不便，而且對開關(guān)電源及其負載造成頻繁沖擊，影響電源系統(tǒng)、機械開關(guān)的使用壽命，另外還會對電網(wǎng)造成嚴重污染。利用UCC3895控制器的SS/DISB功能可方便地解決這一問題，實現(xiàn)系統(tǒng)的軟關(guān)閉，即延緩整個系統(tǒng)的關(guān)斷過程。利用UCC3895的SS/DISB端實現(xiàn)軟關(guān)閉的電路如圖6所示。

　　需要停機時，將S撥到+5V電源上，軟啟動電容CSS上的電荷將通過三極管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VSS/DISB減小到小于VEAOUT時，占空比將由VSS/DISB來控制，故占空比將逐步減小至零，當VSS/DISB減小到小于0.5V時，控制器輸出徹底被封鎖，軟停機最終完成。需要重新啟動時，將S撥到“地”上，T截止，UCC3895內(nèi)部1倍參考電流將對電容CSS充電，系統(tǒng)再次軟啟動。電阻R1的大小將決定軟停機的快慢程度。該方案可實現(xiàn)“無級” 軟停機，系統(tǒng)關(guān)閉過程平穩(wěn)。

　　結(jié)語

　　本文對UCC3895保護功能進行了詳細地分析，并對UCC3895控制器在開關(guān)電源系統(tǒng)中的應(yīng)用進行了改進設(shè)計，克服了其在兩種應(yīng)用場合中的不足，對開關(guān)電源控制器的設(shè)計有借鑒意義?！?/p>

　　參考文獻：

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