基于UCC28600的准谐振反激式开关电源的设计方案
本文提出了一种基于UCC28600控制器的准谐振反激式开关电源的设计方案,该方案分析了准谐振反激式开关电源的工作原理及实现方式,给出了电路及参数设计和选择过程,以及实际工作开关波形。实验证明,该方案中所设计的准谐振反激式开关电源具有输入电压范围宽、转换效率高、低EMI、工作稳定可靠的特点。准谐振技术降低了MOSFET的开关损耗,提高产品可靠性。
0 引言
准谐振转换是十分成熟的技术,广泛用于消费产品的电源设计中。新型的绿色电源系列控制器实现低至150 mW 的典型超低待机功耗。本文将阐述准谐振反激式转换器是如何提高电源效率以及如何用UCC28600设计准谐振电源。
1 常规的硬开关反激电路
图1 所示为常规的硬开关反激式转换器电路。这种不连续模式反激式转换器(DCM)一个工作周期分为三个工作区间:( t0 ~ t1)为变压器向负载提供能量阶段,此时输出二极管导通,变压器初级的电流通过Np:Ns的耦合流向输出负载,逐渐减小。
MOSFET电压由三部分叠加而成:输入直流电压VDC、输出反射电压VFB、漏感电压VLK.到 t1 时刻,输出二极管电流减小到0,此时变压器的初级电感和和寄生电容构成一个弱阻尼的谐振电路,周期为2π LC 。在停滞区间( t1~ t2),寄生电容上的电压会随振荡而变化,但始终具有相当大的数值。当下一个周期t2 节点,MOSFET 导通时间开始时,寄生电容(COSS和CW )上电荷会通过MOSFET放电,产生很大的电流尖峰。由于这个电流出现时MOSFET存在一个很大的电压,该电流尖峰因此会做成开关损耗。此外,电流尖峰含有大量的谐波含量,从而产生EMI.
2 准谐振反激式设计的实现
利用检测电路来有效地"感测"MOSFET 漏源电压(VDS )的第一个最小值或谷值,并仅在这时启动MOS-FET导通时间,由于寄生电容被充电到最低电压,导通的电流尖峰将会最小化。这情况常被称为谷值开关(Valley Switching)或准谐振开关。这种电源是由输入电压/负载条件决定的可变频率系统。换言之,调节是通过改变电源的工作频率来进行,不管当时负载或输入电压是多少,MOSFET始终保持在谷底的时候导通。这类型的工作介于连续(CCM) 和不连续条件模式(DCM)之间。因此,以这种模式工作的转换器被称作在临界电流模式(CRM)下工作。临界模式下MOSFET漏源电压如图2所示。
在反激式电源设计中采用准谐振开关方案有着许多优点:
(1)降低导通损耗
由于MOSFET导通具有最小的漏源电压,故可以减小导通电流尖峰。减轻了MOSFET的压力,降低器件的温度。
(2)降低输出二极管反向恢复损耗
由于二次侧的整流管零电流关断,反向恢复损耗降低,从而提高电源整体效率。
(3)减少EMI
导通电流尖峰的减小以及在准谐振过程中存在频率抖动,将会减小EMI 噪声,这就减少EMI滤波器的使用数量,从而降低电源成本。
3 基于UCC28600 控制器的钨灯电源的设计
3.1 UCC28600控制器的主要特性
UCC28600 控制器的主要特性有先进的绿色模式控制方式;低EMI 及低损耗(谷底开关)的准谐振控制方式;空载损耗小于150 mW(低待机电流);低启动电流(最大25 μA);可编程过压保护(输入电压和输出电压);内置过温保护,温度回复后可自动重启;限流保护:逐周期限功率,过电流打嗝式重启;可编程软启动;集成绿色状态脚(PFC使能端)。
3.2 UCC28600工作原理
UCC28600内部集成了UVLO比较器,高频振荡器,准谐振控制器和软起动控制器,待机模式跳脉冲比较器,输入和输出过电压保护。其内部结构图如图3所示。
(1)UVLO比较器
UCC28600 的VDD 电压在13 V 起动,在低于8 V 时关闭,有5 V的滞差电压,可以提高UCC28600工作的稳定性。
(2)内部振荡器
UCC28600内部集成了一个40~130 kHz的振荡器。
(3)准谐振控制器和软起动控制器
UCC28600采用准谐振的开关变换器以提高转换效率,利用变压器的励磁磁通,在开关关断期间,检测变压器绕组的输出电压,如果电压偏低及处于振荡的波谷时,可以确认该时刻变压器励磁磁通耗尽,可以开启下一周期。该准谐振模式可分为临界导通模式(CRM)和不连续导通模式(DCM)以及频率调制模式(FFM)。
(4)待机模式和跳脉冲比较器
当功率继续减小,UCC28600进入待机模式;频率调制模式(FFM)频率下降到40 kHz,不再减小;当FB小于0.6 V 时,开关脉冲输出关断,当FB 大于0.7 V 时,开关脉冲正常输出,从而得到跳脉冲模式的待机工作状态。
(5)输入和输出过电压保护
OVP引脚为过电压(线电压和负
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