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UCC2897A先进电流模式有源箝位脉宽调制控制器

时间:2019-11-22, 来源:互联网, 文章类别:元器件知识库

特征
说明
低输出抖动
UCC2897A脉宽调制控制器简化了主辅软停实现各种有源钳位或复位和同步整流开关电源拓扑。
110-V输入启动功能适用于主动夹紧、向前复位、反激UCC2897A是一种峰值电流模式固定频率高性能脉冲宽度调制器。
同步整流器的用途控制器包括逻辑和驱动器提供辅助辅助驱动器P沟道辅助开关的性能可编程死区时间(开启延迟)一种简单的临界时滞规划方法辅助开关和主开关之间用于正确的主动夹紧操作。
峰值电流模式控制,0.5 V周期-功能包括内部可编程斜坡循环限流
补偿电路,精确的DMAX极限,以及TrueDrive™2-A接收器,2-A源输出内部定时同步振荡器修剪的内部带隙基准电容器。精确的线路监控功能还可以编程精确的线紫外和线OV阈值转换器关于批量输入电压,车辆识别号。
可编程斜坡补偿
UCC2897A增加了二级打嗝模式高性能1兆赫同步,电流感应阈值,双向内定时电容振荡器,同步和输入过电压保护,精密可编程最大占空比,功能。UCC2897A提供20针
无铅铅漆包

概述
UCC2897A是一种峰值电流模式有源钳位PWM控制器。它提供了简单的接口来编程关键时刻,如软启动,门开启延迟,开关周期,最大运行占空比,和斜坡补偿。其特点包括高压JFET电路、UVLO保护、线路欠压/过压保护、脉冲跳过和同步。UCC8997 A还具有P沟道辅助开关的逻辑和驱动能力。VDD电源由连接到偏置绕组的自举电路产生。
功能框图

特征描述
详细引脚说明
订单
该引脚内部连接到约2.5V直流电源。接地电阻(RDEL)设置UCC2987A控制器的两个栅极驱动信号的开启延迟。对于OUT关闭和AUX打开之间的切换转换,以及AUX关闭和OUT打开时,延迟时间是相同的。延迟时间在方程1中定义。
罗恩
该引脚内部连接到约2.5V直流电源。接地电阻(RON)(引脚6)设置内部定时电容器的充电电流。RON引脚,结合ROF引脚(引脚3),设置工作频率和最大运行占空比 ROFF
该引脚内部连接到约2.5V直流电源。接地电阻(ROFF)(引脚6)设置内部定时电容器的放电电流。根据下面的公式,罗恩和S引脚设置开关周期(最大值)和最大工作占空比(占空比):
控制器的内部5-V偏压轨连接到此管脚。内部偏压调节器需要一个高质量的陶瓷旁路电容器(CVREF)来接地进行噪声滤波,并为调节器电路提供补偿。推荐的CVREF值为0.22μF,推荐使用X7R电容器。电容器的电容值为0.022μF,受偏置调节器的稳定性考虑,最大值约为22μF。
VREF引脚是内部电流限制,并提供约5毫安外部电路。只有当欠压锁定(UVLO)电路启用UCC2897A控制器的操作时,5-V偏置才可用。在VDD达到5v之前,VREF偏压分布可能不是单调的。
有关欠压锁定(UVLO)电路的详细功能说明,请参阅本数据表的一节。
同步
这个引脚是一个双向同步终端。如果不使用,此销应保持打开状态。
该引脚提供一个外部时钟信号的输入,该信号使UCC2897A控制器的内部振荡器同步。同步频率必须高于板载振荡器的自由运行频率(TSYNC<TSW)。同步信号的可接受的最小脉冲宽度大约为50纳秒(正逻辑),并且应该保持短于方程6。
(1-DMAX)×TSYNC其中
DMAX由RON和ROFF设置(6)
如果同步信号的脉冲宽度保持在这些限度内,则最大操作占空比仍然保持有效,如RON和ROFF的比值所定义的,并且DMAX在自由运行和同步操作模式中是相同的。如果同步信号的脉冲宽度将超过(1 - dMAX)×TSYNC极限,则最大工作占空比由同步脉冲宽度定义。
在独立模式下,同步管脚由提供输出脉冲的内部振荡器驱动。同步输出的脉冲宽度不随占空比变化该信号使其他需要恒定频率时基的PWM控制器或电路同步。
在此引脚布局上,外部电容应最小化。SYNC和GND或PGND之间没有连接电容器。有关UCC2897A同步的更多信息,请参阅本数据表的一节。
地面
该引脚为UCC2897A内部的所有小信号控制和编程电路提供参考电压。接地布局对正确操作至关重要。来自MOSFET驱动器的大电流浪涌通过PVDD、OUT、AUX和PGND传导。为了定位这些浪涌,PVDD必须直接绕过PGND。PGND电流必须在电气上、电容上和感应上与GND隔离,只有一条短的线路将PGND连接到GND,其位置应能最大限度地降低进入GND的噪声。
碳钢
CS是UCC2897A控制器的脉宽调制和电流限制比较器的直接输入。CS管脚从不直接连接到功率转换器的电流感应电阻器(RCS)上。在电流感应电阻和CS管脚之间需要一个小的常规R-C滤波器,以适应板载斜坡补偿电路的正常工作,并保护连接到CS管脚(RF1,CF)的内部放电晶体管。
通过从CS管脚流出的线性增加的电流,在RF上实现斜率补偿。斜坡补偿电流仅在转换器主电源开关(OUT)的栅极驱动信号接通时存在。CS引脚的内部下拉晶体管在定时电容器放电期间被激活。此时间间隔为(1–DMAX)×TSW长,表示主电源开关的指定关闭时间。
山坡
连接在该引脚和GND(引脚6)之间的电阻器(RSLOPE)设置斜坡补偿电流的振幅。在主栅极驱动输出(OUT)的开启时间内,RSLOPE上的电压是内部定时电容波形的表示。当定时电容器充电时,通过RSLOPE的电压也会增加,产生线性增加的电流波形。在CS管脚处提供的用于斜坡补偿的电流与流经RSLOPE的电流成比例。
由于RSLOPE引脚上存在高速交流电压波形,因此应小心地将连接到RSLOPE引脚的外部电路组件的寄生电容和电感降至最低。
有关如何编程内部坡度补偿的详细信息,请参阅本数据表的一节。
食品饮料
FB和SS/SD相互作用。电压值较低的控制占空比,参见SS/SD说明。该管脚是UCC2897A的脉冲宽度调制器的控制电压的输入。控制电压由外部误差放大器产生,其方法是将转换器的输出电压与电压基准相比较,并对电压调节回路进行补偿。通常,误差放大器位于隔离功率转换器的二次侧,输出电压通过光耦穿过隔离边界。因此,FB引脚通常由光耦驱动。作为反馈电路的一部分,还需要VREF引脚(引脚4)的外部上拉电阻器才能正常工作。
控制电压内部缓冲,并通过分压器连接到PWM比较器,使其与电流检测电路的信号电平兼容。FB引脚的有用电压范围在大约2.5 V和4.5 V之间。在2.5-V阈值以下的控制电压导致零占空比(脉冲跳过),而高于4.5 V的电压导致全占空比(DMAX)操作。
不锈钢/不锈钢
连接在该引脚和GND(引脚6)之间的电容器(CSS)可编程电源转换器的软启动时间。软启动电容器由一个精确的内部直流电流源充电,该电流源由连接到引脚2的RON电阻器编程。软起动电流在方程式7中定义。
第1版裁判
ISS=0.43'铁=0.43'
2罗恩(7)
该直流电流从0伏充电到大约5 V。在UCC897 A内部,软启动电容器电压被缓冲并与FB引脚(引脚9)上存在的控制电压相伴。两个电压中较低的电压通过关于FB pin的描述的分压器操纵控制器的PWM引擎。因此,SS引脚上的有用控制范围类似于FB引脚的控制范围,并且大约在2.5 V和4.5 V之间。在线路欠压保护时,为了实现软停功能,PWM跟随该pin电容放电
铂族钕
该引脚用作UCC2897A内部所有大电流电路的专用连接。控制器的大电流部分由两个大电流栅极驱动器和除VREF(引脚4)以外的各种偏置连接组成。PGND(引脚11)和GND(引脚6)引脚没有内部连接,两个接地引脚之间也需要低阻抗外部连接。TI建议为低电流设置组件(RDEL、RON、ROFF、CVREF、CF、RSLOPE、CSS和反馈电路中光耦的发射器)形成单独的接地平面。这个单独的接地平面(GND)应该有一个单独的连接到电源转换器(PGND)的其余接地,并且这个连接应该在控制器的引脚6和引脚11之间。
辅助
AUX是辅助开关的高电流栅极驱动输出,用于实现功率级的有源箝位操作。UCC997 A的辅助输出(AUX)驱动P沟道器件作为箝位开关,因此它需要低有效的操作(当输出低时开关接通)。
输出
这个高电流输出驱动一个外部N沟道MOSFET。UCC2897A控制器使用有源高驱动信号作为转换器的主开关。
由于这些输出(AUX,OUT)的高速和高驱动电流能力,连接到这些引脚的外部电路元件的寄生电感应小心最小化。避免栅极驱动电路中不必要寄生电感的一种可能的方法是将控制器置于MOSFET附近,并通过MOSFET器件的输出(AUX、OUT)和栅极通过宽重叠的迹线来连接。TI建议将10-kΩ电阻器从该引脚连接到PGND引脚,以减少布局可能产生的寄生效应。
视频显示器
VDD导轨是内部大电流栅极驱动器、内部5v偏置调节器和欠压锁定电路的主要偏置。为了降低偏压轨上的开关噪声,必须在VDD引脚和PGND(引脚11)之间放置一个高质量的陶瓷电容器(CHF),以提供足够的滤波。对于大多数应用,推荐的CHF值为1-μF,但该值可能会受到功率级使用的外部MOSFET晶体管的特性的影响。
除了低阻抗高频滤波外,控制器的偏压轨还需要一个与CHF并联的大值储能电容器(CBIAS)。储能电容器必须提供启动期间操作UCC2897A(包括栅极驱动功率要求)的保持时间。在稳态运行中,控制器必须由一个自举变压器绕组或辅助偏置电源供电。在一个独立的辅助偏置电源的情况下,由偏置电源的输出电容提供能量存储。电容值也由连接到VREF的电容值确定。VREF和VDD上的电容应至少为1:10。
紫外线
该输入监控输入电源,为UCC2897A控制的电源提供具有用户可编程滞后的精确欠压锁定功能。UCC2897A的独特特性是仅使用一个管脚来实现这些功能,而不牺牲性能。电源的输入电压通过一个外部电阻分压器(RIN1,RIN2 in)被缩放到欠压锁定比较器的精确1.27-V阈值。一旦超过线路监视器的输入阈值,就会有一个内部电流源连接到LINEUV管脚。电流发生器由连接到控制器引脚1的RDEL电阻器编程。实际电流水平如等式8所示。
第1版裁判
IHYST='0.05英里
二阶(8)
当该电流流过输入分配器的RIN2时,欠压锁定滞后是IHYST和RIN2的函数,允许对线路监测电路的滞后进行精确编程。当检测到LINEUV时,PWM跟随VSS电容放电,并提供软停止功能。软启动电容器在软启动电容器电压达到2.5 V时开始放电。当软启动电容器在满足所有其他软启动条件的假设下恢复软启动时,软启动电容器继续放电,直到电压达到0.5 V为止。
车辆识别号
UCC280A控制器配备有高压N沟道JFET启动装置,以在输入电压不超过启动晶体管的110-V最大额定值的应用中从转换器的输入电源启动操作。在这些应用中,车辆识别号引脚直接连接到输入电源的正极端子。内部JFET启动晶体管为连接在VDD(引脚14)和PGND(引脚11)端子上的储能电容器(CBIAS)提供充电电流。请注意,当VDD引脚上的电压超过大约12.7 V时,启动设备立即关闭,控制器的可调阈值为开启。当大电流栅极驱动器切换时,JFET也始终处于禁用状态,以防止过大的功耗和通过器件的电流。对于可靠的启动,VDD的负载不得超过4毫安。
列诺夫
该输入监控输入电源,为控制器控制的电源提供具有用户可编程滞后的精确过电压保护。过电压保护功能的电路实现与用于监测输入电源轨的欠电压锁定的技术相同。该电路仅使用一个管脚就能实现精确的阈值和滞后。电源的输入电压通过一个外部电阻分压器(RIN3,RIN4 in)精确地调整到过电压保护比较器的1.27 V阈值。一旦超过线路监视器的输入阈值,内部电流源就会连接到LINEOV引脚。电流发生器由连接到控制器引脚1的RDEL电阻器编程。实际电流水平如方程式9所示。
第1版裁判
IHYST='0.05英里
二阶(9)
当电流流过输入分压器的RIN4时,过电压保护滞后是IHYST和RIN4的函数,允许对线路监测电路的滞后进行精确编程。
JFET控制和UVLO
UCC2897A控制器包括高压JFET启动晶体管。控制电路的稳态功耗(还包括有源箝位转换器的两个电源开关的栅极驱动功率损耗)超过了器件的电流和热容量。因此,JFET应仅用于控制电路的初始启动,并在网关驱动输出未切换时,在待机模式下提供保持通电的电源。因此,启动装置由UCC2897A上实现的控制算法管理。图19中的时序图说明了JFET启动装置的操作。

在初始通电过程中,JFET接通,并为连接到VDD引脚的CBIAS和CHF电容器充电。控制器的欠压锁定电路监控VDD引脚,以确保在操作启用前正确偏置。当VDD电压达到大约12.7 V(UVLO TurNo阈值)时,UVLO电路使控制器的其余部分工作。此时,JFET关闭,VREF端子上出现5V电压。除非满足所有其他正常工作条件,否则开关波形可能不会出现在栅极驱动输出端。这些条件是:
CS引脚上的电压低于电流限制阈值
控制电压高于零占空比边界(VFB>2.5 V)。
输入电压在有效工作范围内(VVON<VVIN<vvof)。–线路欠压或过电压保护未激活。
当控制器开始运行时,它从CBIAS电容器获得偏置功率,直到引导绕组接管为止(参考图25和图26)。在此期间,随着JFET关闭,VDD电压迅速下降,但引导电压仍不足以为控制电路供电。必须在CBIAS中存储足够的能量,以防止在启动时间间隔内偏置电压下降到UVLO电路的关断阈值以下。否则,在建立稳态操作之前,电源将经历多次重试尝试。
在正常运行期间,偏压由自举偏压设计确定。UCC997 A容忍在最小工作电压(UVLO关断阈值)和最大工作电压之间的宽范围的偏置电压。
在电源响应外部命令进入待机状态的应用中,控制器的偏置电压必须保持活动状态,以便对控制信号作出智能反应。在待机模式下,切换动作将暂停一段未定义的时间,并且引导电源不可用于使控制器产生偏差。在没有备用电源的情况下,偏置电压崩溃,控制器启动重新启动序列。为了避免这种情况,UCC2897A控制器的板载JFET只要栅极驱动输出保持非活动状态,就保持VDD偏置。如图19中的时序图所示,当FDD=10 V时,JFET导通,并将CBIAS电容充电到约12.7 V。此时JFET关断,VDD逐渐减小到10 V,然后该过程重复。当电源再次启用时,控制器完全偏置并准备启动软启动序列。一旦栅极驱动脉冲出现,JFET就会关闭,而偏压则由自举偏压发生器提供。
在断电期间,由于开关动作持续到VDD偏置电压低于控制器的UVLO关断阈值(约8 V),情况不同。此时,当JFET器件打开,CBIAS电容器再次开始充电时,UCC2897A关闭并关闭5-V偏置轨并返回到启动状态。如果重新建立转换器的输入电压,UCC2897A将尝试重新启动转换器。
线路欠压保护
当输入电源被移除时,电源被线路欠压保护关闭,因为只要在功率级中进行切换,自举绕组就保持VDD偏置。当电源的输入电压逐渐向线路截止电压降低时,转换器的工作占空比必须补偿较低的输入电压。在最小输入电压下,占空比接近最大值(DMAX)。在这些条件下,钳位电容器上的电压接近最高值,因为变压器必须在相对较短的时间内复位。时序图强调,在转换器停止开关的情况下,钳位电容器电压可能处于最大电平。由于钳位电容器的唯一负载是电力变压器,所以当转换器关闭时,这种高压可能会在钳位电容器上停留很长时间。由于主开关的占空比较窄,钳位开关的开启时间较长,因此钳位电容器上存在的高电压会导致软启动非常危险。这可能会导致电力变压器在下一个软启动循环中饱和。

为了消除这一潜在的危险,UCC2897A控制器,放电钳位电容器在电源安全关闭。当软启动电容器CSS缓慢放电时,输出和辅助输出继续切换。由于辅助脉冲宽度随着箝位电压的降低而逐渐增大,而长时间不在变压器上施加高压,实现了软停止功能。

线路过电压保护
当UCC2897A控制器触发线路过电压保护时,栅极驱动信号立即被禁用。同时,CSS的缓慢放电开始。当软启动电容器放电时,栅极驱动信号保持禁用状态。一旦VSS=0.5v,过电压从电源输入端消失,通过定期软启动转换器恢复操作。如果满足以下三个条件之一,输出和辅助停止脉冲:
1. VDD达到UVLO关
2. 车速传感器电压低于2.5伏
3. FB电压低于2.5V

脉冲跳过
在输出负载电流瞬变或轻负载条件下,大多数PWM控制器必须能够跳过一定数量的PWM脉冲。在有源钳位拓扑中,钳位开关与主开关互补驱动,脉冲的跳跃将钳位电压连续应用于变压器。由于工作条件可能需要跳过主晶体管上的几个开关周期,因此如果辅助输出保持打开,变压器很可能饱和。

UCC2897A具有双向同步引脚。在独立操作中,同步引脚是由内部振荡器驱动的,它提供了大约5 V振幅方波输出。该信号使其他需要恒定频率时基的PWM控制器或电路同步。当内部定时电容器达到峰值时,产生UCC2897A的同步输出。因此,同步波形与主门驱动器输出的导通不一致,因为它通常在PWM控制器中实现。
振荡器和其他相关波形在自由运行和同步模式下的工作如图23所示。
同步输入P通道的同步波形
振荡器的最关键和独特的特点是限制转换器的最大工作占空比,这是通过精确控制机载定时电容器的充电和放电间隔来实现的。输出引脚的最大时间,这也是有源钳位转换器的最大占空比,是由定时电容的充电间隔限制。当电容器复位到初始电压水平时,确保OUT断开。
当使用同步时,信号的上升沿终止充电周期并开始定时电容器的放电。一旦定时电容电压达到预定的谷电压,一个新的充电周期自动开始。这种同步方法使定时波形的充电和放电斜率不受影响,从而保持转换器的最大占空比,独立于操作模式。
虽然同步电路是电平敏感的,但实际的同步事件发生在波形的上升沿,允许同步脉冲宽度在观察到某些限制的同时显著变化。最小脉冲宽度应该足以确保可靠的内部振荡器电路的触发,因此它大于大约50纳秒。另一个限制因素是保持它比方程式10短。

闸门驱动连接
低侧P沟道栅极驱动电路涉及使用电容器和二极管的电平移位器,其确保辅助开关的栅极驱动振幅独立于转换器的实际占空比。
在高速MOSFET栅极驱动电路的设计和应用指南SLUP169中,给出了这些和许多类似的栅极驱动解决方案的详细分析和设计实例。

引导偏压

许多变换器在稳态运行时使用自举电路产生偏置功率。电路的简单性和高效率证明了该方案的普遍性。通常,通过在结构上增加一个额外的专用绕组,从主变压器获得偏置功率。使用如图25所示的反激变换器,自举绕组为一次侧控制电路提供准调节的偏置电压。VDD引脚上的电压等于输出电压乘以变压器中输出和引导线之间的匝数比。因为输出是调节的,所以偏压轨也是调节的。
正激式变换器采用相同的结构,但主变压器的自举绕组不能提供准稳压。在正向转换器中,通过自举绕组的电压等于输入电压乘以匝数比。因此,偏置电压随输入电压而变化,并且超过在高线上的控制电路的最大操作电压。如果功耗可以接受,线性调节器限制并调节偏置电压。正向转换器的另一个可能的解决方案是从图26所示的输出电感器产生偏置电压。

引导偏压2,正向示例
该方案利用自由转动期间输出电感上的可调输出电压为控制电路产生准可调偏置。
两种解决方案在正常运行期间都提供可靠的偏置功率。注意,在这两种情况下,偏置电压都与输出电压成正比。自举偏压电源的这种特性导致转换器在明显过载或短路条件下以打嗝模式工作,因为自举绕组无法将偏压轨道保持在控制器的欠压锁定阈值以上。
另一种基于有源电路的偏置解决方案在上一页中显示,其组件为Q10、C18、R19、D10和D12。这种电路用于限制允许的偏置电容器尺寸以优化电路板空间利用率的应用中。

设备功能模式
UCC2897A使用高压JFET为控制器提供启动电流,直到VDD管脚上有引导式导轨可用。当VDD引脚电压超过UVLO阈值时,JFET将被关闭。然后设备进入正常工作模式。如果线路电压异常,装置进入欠压或过压模式。在轻载或负载瞬变过程中,如果反馈电压FB小于某一阈值,则器件可能进入脉冲跳过模式

申请信息
UCC2897A为有源箝位PWM变换器提供了一种高度集成的解决方案。为了使零件更易于使用,TI准备了大量材料来演示设备的特性。
UCC2897A系列提供了高度集成的功能集和卓越的精度,以控制有源钳位正激或有源钳位反激功率转换器。
典型应用
为了利用集成在这些控制器中的所有优点,以下过程简化了设置,以避免设计过程中不必要的迭代

电源建议
VDD引脚是设备的电源。从VDD到PGND应该有一个1μF的电容器。VREF引脚为内部逻辑提供供电轨,它应通过一个0.1μF电容器尽可能靠近设备的接地。PVDD管脚是电源设备的电源管脚,它应该通过使用10μF电容器传递给PGND。
布局指南
两个接地的连接:GND(模拟接地)和PGND(电源接地)。两个接地应使用一个网络连接线连接在IC的GND引脚和PGND引脚之间,并且两个接地之间应该只有这种连接。
VDD引脚和VREF引脚的旁路电容器应尽可能靠近设备接地。
定时配置引脚RDEL、RTON、RTOFF和RSLOPE尽可能地与设备接地相连。
PGND应作为高电流输出驱动器输出和辅助的电流返回。当前路径应尽可能短。
在这两个引脚的IC处使用0欧姆电阻器连接PVDD和VDD。

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