先进的PFC/PWM组合控制器UCC28510系列及其应用电路设计
摘要：介绍了PFC/PWM组合控制器UCC28510系列的主要特点及其应用电路设计程序。
关键词：PFC/PWM组合集成电路；UCC28510系列；应用电路；设计
1 引言
德州仪器（TI）公司新推出的UCC28510系列PFC/PWM组合控制器，含有8个型号（从UCC28510到UCC28517）。这些控制器PFC级和PWM级栅极驱动源电流和阱电流，由先前同类器件的0.3～1.5A分别增加到2A和3A，从而使离线式开关电源（SMPS）的功率提高到300W以上。该功率等级属于业界真正要求的严格限制谐波含量的SMPS功率范畴。
由于UCC28510系列PFC/PWM组合控制器在设计上有许多创新，在通用AC线路输入（85～265V）和负载范围内，电流谐波含量完全符合ICE1000-3-2标准要求，线路功率因数非常接近于1。同时，PFC升压变换器输出纹波电流明显减小，系统瞬态响应得到提高。与先前的PFC/PWM组合控制器比较，采用该系列控制器可使SMPS系统电路进一步简化，从而有助于降低系统成本，节省空间，提高系统功率密度和可靠性。
2 主要特点
UCC28510系列控制器具有以下几方面的特点。
1）采用20引脚PDIP或20引脚SOICW封装（功率耗散分别为1W和0.7W），工作结温范围为－50℃～150℃。
2）将连续传导模式（CCM）平均电流型控制PFC控制器和峰值电流模式PWM级电路集成在同一芯片上，设计新颖，结构紧凑，如图1所示。
3）PFC控制器中的三输入高度线性化的乘法器和跨导（gm）电压误差放大器大大地提高了电路的瞬变响应。
4）PWM控制器最大占空比可编程设定，并且开关频率fPWM可以与fPFC相同，也可以选择fPWM=2fPFC，具体如表1所列。
5）为了减小PFC升压预调节器输出电容器上的纹波电流，PFC和PWM级分别采用前沿调制和后沿调制。图2示出了UCC28510系列脉冲前沿/后沿调制（LEM/TEM）控制器与传统后沿/后沿调制（ TEM/TEM）PFC与PWM组合控制器在能量贮存电容器（CES）上的电流（iES）对比。
图1 UCC28510系列PFC/PWM控制器内部结构
图2 前沿/后沿调制（LEM/TEM）纹波电流与后沿/后沿调制（TEM/TEM）比较
此外，UCC28510系列PFC/PWM组合控制器还具有可编程软启动，PFC输入电压前馈控制，峰值电流和功率限制，零功率检测和过电压保护等特征。
表1 UCC28510系列ICs之间的主要不同点
PFC欠电压锁定
（UVLO）导通门限
/V
PWM滞后电压/V fPFC∶fPWM 1∶1 1∶2 16 1.45 UCC28510 UCC28514 10.2 1.45 UCC28511 UCC28515 16 3.20 UCC28512 UCC28516 10.2 3.20 UCC28513 UCC28517
3 应用电路及设计
3.1 应用电路
UCC2851X作为控制器的PFC升压预变换器与回扫（反激）式PWM功率级SMPS电路如图3所示。图中，UCC2851X（U1）中的PFC控制器、升压电感器L1、PFC开关（Q1）、升压二极管D3和输出电容器C1等，组成有源PFC升压预变换器。R3和R4组成的电阻分压器用作PFC变换器DC输出电压（400V）检测，感测信号通过U1的脚3输入到内部以7.5V为参考的误差放大器。正比于整流电压的电流信号经电阻R1和U1的IAC脚（脚18）输入到内部乘法器，以保证整流器（D1）输入端的AC电流跟踪AC线路电压瞬时变化轨迹。电阻R2是PFC级电流感测元件。R2上感测的电压信号分别经U1脚16（ISENSE1）和脚14（PKLMT）输入到内部电流放大器和PFC电流限制比较器，以履行PFC级PWM脉冲占空比控制和峰值电流控制。
图3 UCC2851X典型应用电路
R6和C3是U1启动元件。当U1被启动Q1开始开关之后，变压器T1的辅助绕组、二极管D5和电容C3组成的电源电路为U1提供工作电压（和电流）。U1脚2（RT）外部电阻R20用作设定振荡器频率。
U1脚4外部R16和R19组成的电阻分压器，用作编程PWM最大占空比。电阻R5为PWM级电流感测元件。R2上感测的电压信号经U1脚8（ISENSE2）输入，以履行峰值电流限制。U1脚13（SS2）外部电容C5，用作编程PWM级栅极驱动软启动持续时间。SMPS次级DC输出到初级的反馈环路，由电阻分压器、作为误差放大器使用的U3（TL431）和光耦合器U2组成。U1的脚7（VERR）接收反馈信号，以控制PWM占空比。
3.2 主要元件参数确定的方法
3.2.1 设计程序
设计程序参考图3所示的应用电路。首先选择UCC28510系列ICs中的一种控制器，再按以下步骤进行设计：
1）功率级元器件；
2）PFC级控制元件；
3）PWM级控制元件。
元件的确定必须根据给定的技术条件，具体包括系统输出电压VOUT、输出功率POUT和AC线路电压VAC范围。其它的技术要求有效率和允许的电流谐波等。
3.2.2 确定相关参数
1）PFC级最小占空比D1（min)
PFC升压变换器在CCM下操作，最小占空比由最低AC线路电压VAC(min)和PFC输出存储电容C1上的电压VC1决定。
D1(min)=1－
（1）
2）确定调节常数K1R
能量存储电压的调节常数K1R由式（2）确定。
K1R=
（2）
式中：PWM导通参考是6.75V，PWM滞后为1.45V或3.2V，VREF=7.5V。因此可得
K1R=0.29（对应UCC28510/28511/28514/28515）；
K1R=0.53（对应UCC28512/28513/28516/28517）。
3）最低能量存储电压VC1(min)
C1上的最低能量存储电压VC1(min)由K1R和正常状态下C1上的电压VC1(nom)决定。
VC1(min)=(1－K1R)·VC1(nom)(3)
4）编程PWM级开关频率fs(PWM)
用U1脚RT外部电阻R20设定fs(PWM)
R20=
（4）
推荐R20=45～500kΩ。
3.2.3 元器件的确定
1）功率级元器件
在图3所示的电路中，功率级元器件包括C1～C3、D1～D5、L1、R1、Q1、Q2和T1。因篇幅所限，PWM功率级元器件Q2、D4、D5、C2和变压器T1不在此讨论。在PFC级元器件C1、C3、D1～D3和Q1中，除C1因PFC/PWM同步化要求需要讨论外，其它元器件选择方法在固定频率PFC设计中都有介绍，故也不再涉及。
（1）升压电感器L1
PFC升压电感器L1可利用式（5）计算。
L1=
（5）
式中：TS(PFC)为开关周期；
PIN为输入功率；
KRF=ΔiL1(p-p)/iL1(max)=0.2～0.3，为纹波因数。
（2）电流传感电阻R2和PFC峰值电流限制编程电阻R17与R14PFC级电流感测电阻R2可由式（6）确定。
R2=
（6）
在式（6）中，R2操作动态范围VDYNAMIC围绕1V，iL1(max)=
PIN/VAC(min)。
UCC2851X脚PKLMT外部电阻分压器R7与R14用作编程过电流门限电压。R14可围绕10kΩ选择，R7与R14之间关系如下。
=
（7）
（3）电容器C1
PFC升压变换器输出电容器C1的选择必须保证要求的支持（hold-up）时间tHU，其容值由式（8）确定。
C1=
（8）
C1还必须能经受住有效值纹波电流IC1(rms)。
IC1(rms)取决于开关Q2的电流IQ2、占空比D2(nom)、VC1(nom)和VAC(min)。
<
（9）
IC1(rms)与IQ2之比率可以从UCC2851X的相关曲线上查出。
（4）PWM级电流感测电阻R5
UCC2851X脚8内部峰值电流限制比较器的输入门限电压VTH为1.3V，R5可按式（10）计算。
R5=VTH(1.3V)/iQ2(peak)（10）
2）PFC级控制元件
（1）乘法器动态范围设定
乘法器动态范围依赖于PFC/PWM组合控制器IAC、VAOUT和VFF脚上的电流或电压。这几个参数的限制条件如下：
0≤iIAC(t)≤500μA（11）
0≤VVOUT(t)≤5V
1.4V≤VVFF≤VREF－1.4V
相关元件的选择如表2所列。
表2 乘法器相关元件计算公式
（2）PFC电流环路控制元件
在U1的电流放大器输出（脚15）与电流放大器反相输入端（脚17）之间，在外部连接由C7和C6、R13组成的补偿网络。R13用作设定在交叉频率fCO(PFC)上补偿器增益，选择C6在交叉频率上设置一个零点，C7用作在开关频率 fS(PWM)的1/2处提供一个极点。这三个元件的计算公式如表3所列。
表3 PFC电流环路控制元件计算公式
3）PWM级控制元件
U1脚4外部电阻R16和R19，用作设定最大占空比DPWM(max)，以防止变压器饱和。R16与R19之比由式（12）确定。
=
－1（12）
当脚4上电压为VDX时，最大占空比DPWM(max)可由式（13）计算。
DPWM(max)=(0.26－4.4×10－8fs)VDX＋6.9×10－8fs－0.31（13）
当VDX=4.15V时，DPWM(max)=（75±5）％。它比PFC级最大占空比DPFC(max)〔95±5）％〕小一些。
4）元器件选择举例
对于图3所示的应用电路，若AC输入范围为85～265V，PFC级电路DC输出电压是400V，输出功率为100W，U1选用UCC28517（fPFC=1/2fPWM），VCC脚电源12V，PFC级和变压器初级PWM级电路主要元器件的选择如下：
（1）功率器件和磁性元件
Q1和Q2选用IRFP450型MOSFET，D1选用PB66全桥整流器，D2选用G1756二极管，D3选用HFA08TB60快速恢复二极管。升压电感器L1电感值为1.7mH，变压器T1选用PB2039。
（2）阻容元件
主要阻容元件数值如表4所列。
表4 阻容元件的选择
