UPC1099集成電路性能與應(yīng)用

1、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)

2、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，通過對它的控制可實(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)。

3、     腳6為信號地。     腳7為過電流關(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為過壓關(guān)閉端，當(dāng)輸入或輸出過壓時(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

4、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RT、CT決定。一般CT取100pF1500pF、RT取3k51k，其振蕩頻率控制在50kHz500kHz內(nèi)。對于75W變換器中控制     在450kHz500kHz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（Ta=25）     入電壓

5、和輸出電壓26V     輸出最大電流1.2A     功耗1000mW     工作溫度2085     貯存溫度55150     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  

6、60;  主要電性能如表1所示。 表1  UPC1099主要電性能指標(biāo) 參數(shù) 測試條件 最小值 典型值 最大值 符號 單位 整體性能 IC電壓 11.5 15 24 VCC V 待機(jī)電流 VCC=8V,10Ta85 0.05 0.1 0.2 ICC mA 工作電流 VCC=24V,VD=2.7V無負(fù)載 10 15 ICC mA 基準(zhǔn)電壓部分 輸出電壓 IREF=0 4.8 5 5.2 VREF V 輸入穩(wěn)定度 11.5VVCC20V,IREF=0 1 10 REGIN mV 負(fù)載穩(wěn)定度 0IREF3mA 6.5 12 REGL mV 溫度變化 IREF=0,10Ta85 4

7、00 700 VREF/T V/ 輸出短路電流 VREF=0 13 Ishot mA 振蕩部分 最高頻率 200 500 fmax kHz 最低頻率 50 fmin kHz PWM比較器 輸入偏壓電流 VD=0.54VREF10Ta85 10 IB A 截止電壓（低） 1.5 VTH(L) V 截止電壓（高） 3.5 VTH(H) V 死區(qū)與溫度變化 3 DT/T 過電壓關(guān)閉 過電壓檢測點(diǎn) 10Ta85OVL端子電壓=VIN(OVL) 2.0 2.4 2.8 VTH(OVL) V 輸入偏壓電流 4 IB A OVL解除電壓 2 VR(OVL) V 檢測延遲時(shí)間 750 TL(OVL) ns 過

8、電流關(guān)閉 過流檢測電壓（） 10Ta85 200 220 240 VTH(OCL) mV 過流檢測電壓（) 230 210 190 VTH(OCL) mV OCL端子輸出電流 250 IS(OCL) A 檢測延遲時(shí)間 150 TL(OCL) ns 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Vs=3672V，輸出電壓Vo=5V，輸出電流Io=015A。 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

9、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。Co、L1、C1組成EMI電路，防止變換器對電網(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。脈沖信號通過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、

10、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0.09。輸出5V電壓經(jīng)R26、R27取樣與IC2比較通過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。過電流由串接在Q4源極電阻R9檢測，信號經(jīng)限流電阻R10加到IC1過流端腳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)

11、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MOS管反壓過沖和開關(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。Co、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)開關(guān)濾波電容及啟動(dòng)延遲。C5、C6、

12、C9為IC1的電源濾波和基準(zhǔn)電壓濾波。C7、C11對于過壓過流起平滑作用。R22防止輸出過載時(shí)IC2電流過小的偏置網(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為過電流關(guān)閉端，當(dāng)電壓達(dá)到200mV時(shí)，MOS管Q4就會逐漸關(guān)斷。一旦關(guān)斷，則腳7電壓降到0V。     IC1的腳12為過電壓關(guān)閉端，輸出過壓經(jīng)R30、R31取樣與IC4比較放大通過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

13、上下降。如果要解除過壓關(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對頻率的影響如圖3所示。 圖3  CT、RT與振蕩頻率fo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對啟動(dòng)電流抑制。R1使48V輸入電壓的最大啟動(dòng)電流

14、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，Vs經(jīng)由R6、Q3向C5充電。在C5的電壓沒有達(dá)到IC1動(dòng)作電壓之前，會有小量的待機(jī)電流（ICC）通過UPC1099，大小為0.2mA左右。C5為10F左右，Vs=48V時(shí)，只要0.5s時(shí)間就

15、能升到11.5V。電流值為：     i=uc5·C5/t=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：Vin(min)為輸入最小電壓36V；       Vcc為IC1動(dòng)作開始電壓11.5V。     則R6<=56.98k     當(dāng)IC1開始動(dòng)作，消耗電流為15mA。此時(shí)電壓持續(xù)上升至14.3V

16、，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，導(dǎo)通占空比逐漸增加。同時(shí)啟動(dòng)時(shí)toff要在某一確定值，即死區(qū)時(shí)間（Deadtime）之上。IC1的腳1可決定toff的大小，從表1中可知當(dāng)腳1電壓在3.5V以上時(shí)toff=100Ts；2.5V時(shí)toff=50Ts；1.5V時(shí)toff=0Ts。圖2中5V參考電壓（腳14）經(jīng)R11、R12分壓供給腳1。R11與C

17、8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)過程。經(jīng)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)確定R11為18k，R12為16k，C8為0.2F。     （4）過電流值的設(shè)計(jì)     過電流信號由R9上獲得，該信號經(jīng)R10、C7平滑送至過電流關(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0.045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     Imax=&

18、#215;×0.81=15.84A（3）     （5）過電壓保護(hù)     輸出過壓保護(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)電位器來改變過壓保護(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。

19、如果輸出電壓Vo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Vo調(diào)回到變化之前的位置上。其計(jì)算公式為：     Vo=×D×Vs（4） 式中：Vo為輸出電壓（V）；       np，ns為原，副邊匝數(shù)；       D為占空比；       Vs為輸入電壓。 5  75W直

20、流變換器性能及尺寸     1）主要電性能     主要電性能見表2。 表2  5V75W直流變換器電性能（Ta=25） 參數(shù) 測試條件 最小值 典型值 最大值 符號 單位 輸出電源設(shè)定精度 Vs=48V,Io=15A 4.95 5.05 Vo V 源效應(yīng) Vs=3672V,Io=15A 0.2 SV 負(fù)載效應(yīng) Vs=48V,Io=0.515A 0.5 SI 溫度系數(shù) Vs=48V,Io=15A ±0.05 ST / 輸出過壓保護(hù) 關(guān)斷型 110 120 過流保護(hù) Vo=48V，自啟動(dòng) 120 150 開關(guān)頻率 450 500 fo kHz 工作殼溫范圍 底板殼溫 40 100 Ta 貯存殼溫范圍 底板殼溫 40 125 T 紋波噪聲 100MHz示波器 50 Vopp mV 效率 Vo=48V,Io=15A 81 輸入輸出絕緣電阻 10 RIO M 遙控關(guān)斷 邏輯低 接輸入低電平 模塊“高” 邏輯高 懸空或