ZVS移相全桥控制器UCC3895及其应用

　　1．引言： 

　　UCC3895芯片是Texaslnstruments公司生产的专用于PWM移相全桥DC／DC变换器的新型控制芯片。它在UC3875(79)系列原有功能的基础上增加了自适应死区设置和PWM软关断能力，这样就适应了负载变化时不同的准谐振软开关要求。同时由于它采用了BICMOS工艺，使得它的功耗更小，工作频率更高，因而更加符合电力电子装置高效率、高频率、高可靠的发展要求。通过不同的外围电路设置，既可工作于电压模式，也可工作于电流模式，并且软启动／软停止可按要求进行调节。

　　2．UCC3895芯片介绍

　　UCC3895芯片采用了20个引脚实现了以下功能：自适应死区时间设置；振荡器双向同步功能；电压模式控制或电流模式控制；软启动／软关断和控制器片选功能可编程；移相占空比控制范围0％～100％；内置7MHz带宽误差放大器；最高工作频率达到1MHz；工作电流低，500kHz下的工作电流仅为5mA；欠压锁定状态下的电流仅为150μA。

　　UCC3895芯片是UC3875(79)系列芯片的升级，同后者相比，内部电路做了许多改进，设计更为方便，性能有所增加。下面介绍其部分主要引脚功能：

　　EAP、EAN、EAOUT分别为误差放大器的同相输入端、反向输入端和输出端。

　　CS和ADS CS是电流检测比较器的反相输入端。内部接到电流测量比较器负输入端和过流比较器正输入端以及ADS放大器。电流测量信号用于实现峰值电流模式控制中的逐周期限流，及过流关闭输出脉冲保护。过流关闭输出脉冲会导致一个重新的软启动过程。ADS是自适应死区时间设置，是该控制芯片新增的控制管脚，可设置最大和最小输出死区时间之比值。CS端的电压应限制在2.5V以下。当ADS与CS相连时，死区时间没有自适应调节功能；当ADS直接接地时，死区时间调节范围最大，此时，CS=0时的死区时间约为CS=2.0V(峰值电流限制值)时死区时间的4倍。当ADS接到CS和GND之间的电阻分压器上时(见图1)，VADS-VCS项减小，使VDEL也减小，即死区调节量减小。ADS通过式(1)改变脚DELAB和DELCD上的输出电压值VDEL，叫从而改变输出死区。

　　式(1)中VADS必须限制在0V到2.5V且必须小于等于VCS。图1给出与死区设置有关的电阻接线方法。

　　DELAB和DELCD两引脚分别为两路互补输出端之间的死区时间设置。RDELAB通过DELAB端设置OUTA和OUTB之间的死区时间，RDELCD通过DELCD端设置OUTC和OUTD之间的死区时间。在该死区时间内，外部桥式变换器的功率器件实现谐振转换。两半桥允许不同的死区时间以适应不同的等效谐振电容充电电流。死区时间由式(2)决定：

　　DELAB和DELCD引脚上可输出最大电流为1mA，应选择电阻RDEL使其输出电流不超过该值。

　　CT和RT CT接振荡定时电容CT，RT外接振荡定时电阻RT。振荡器通过一个可调的电流对CT充电，充电电流由RT决定。CT上波形为锯齿波，峰值约2.35V。振荡周期由式(3)近似估算，CT可从100pF到880pF，RT的阻值范围40kΩ～120kΩ。

　　OUTA，OUTB，OUTC，OUTD 4个100mA的互补输出MOS驱动信号。OUTA和OUTB互补，OUTC和OUTD互补，分别驱动外部功率电路的一个半桥功率开关，它们的工作频率为振荡频率的一半。

　　SS／DISB软启动和禁止端。其中禁止模式即芯片输出的快逸关闭。禁止模式在外部强制SS／DISB低于0.5V、外部强制REF低于4V、VDD低到UNLO设定值之下、或在发生过流故障(CS>=2.5V)时启动。在REF低于4V或VDD低到UNLO情况发生时，SS／DISB被内部MOSFET拉低到地，如果是发生过流，SS／DISB吸入10倍IRT电流直到SS／DISB低于0.5V。

　　图2是UCC3895的时序图。

　　图2中，是时钟信号，RAMP是RT端的锯齿波，COMP表示的是电压模式控制时误差调节器的输出信号。OUTPUTA、B、C、D为互补输出MOS管的四个驱动信号。OUTPUTA和B互补，OUTPUTC和D互补，OUTPUTA、B和OUTPUTC、D之间的相位差由图中输出PWM波形的占空比决定。

　　3．基于UCC3895DC／DC变换器的参数设计

　　DC／DC变换器的电路原理如下图3。图中除了UCC3895及其外围电路外，QA、QB、QC和QD四个MOSFET组成桥式变换电路，依靠其漏源间等效电容实现零电压软开关；T1和T2为脉冲变压器，分别用来驱动主电路开关管QA、QB和QC、QD；T4为电流互感器，与C7、R10一起组成电流检测电路；T3为高频变压器，实现输出隔离和电压匹配；D1和D2对高频变压器副边电压整流，精L1、L2和C10滤波得到输出直流电压VCC；TL431是一个基准电压为2.5V的电压调节器，通过光耦Q8实现输出电压闭环反馈。

　　采用UCC3895芯片作为控制电路主要部分，通过TI公司提供的原理图、测试参数、设计原理、应用参数等资料，结合本实验的要求给出部分电路参数设计。

　　预设fosc=200kHz，得tosc=1／200kHz=5μs，根据式(3)计算得RTCT=46.8×10-6，取RT=100kΩ，CT=470pF。

　　由式(1)和(2)，开关切换时CS端的最低电压决定了最大死区时间。VCS上的电压范围为0V～2.5V，选取RCS=200kΩ，RADS=100kΩ，如图3所示。据式(1)得到VDEL上的电压范围为0.5V～1.75V，选取RDELAB=RDELCD=2kΩ，最大电流为0.875mA<1mA，符合要求。再据式(2)得到死区时间为50～125ns。

　　据光耦参数，取工作点为IC=2.5mA，IF=3mA，选择EAP端电压工作点为VREF的中点，即得R4=VREF／(2IC)=1kΩ。

　　根据设计要求输出电压Vcc=30V，已知TL431的参考电压为2.5V，则应取R8=11kΩ，R9=1.0kΩ。选择TL431输出端电压工作点为动态范围的中点，可得R11=(Vcc-1.5-2.5)／(2IF)=4.3kΩ。

　　选择驱动变压器原、副边匝比为10：10；高频变压器T3原副边匝比为15：45。输入电压Vin为15V，电流平均值约为5A；考虑占空比和的T3的励磁电流，输入电流峰值约为9A；电流互感器原副边匝比选为1：75，可得副边电流为0.12A；选择R10为20Ω，可得CS端的最大电压为2.4V，不能超过2.5V。

　　4．实验结果

　　图4是在上述参数下的控制电路输出波形。

　　图4中上面三个波形依次为CT上的输出波形、OUTA的输出波形和OUTB的输出波形；下面三个波形是上面波形的局部放大图。OUTA、OUTB的开关频率为100kHz，CT的输出频率为200kHz的锯齿波，开关频率是fOCS的二分之一。为了观察稳定的波形，反馈回路处于开路，等效为输出一直处于欠压状态；可以看出PWM占空比接近100％，死区时间约为120ns，在设定范围之内。

　　5．结论

　　本文介绍了ZVS移相全桥DC／DC变换器控制芯片UCC3895，与此前同类芯片比较增加了自适应死区时间控制。设计了一台15V／30V的DC／DC变换器的设计，该方案采用了峰值电流控制模式，可在较大范围内实现移相全桥零电压开关(ZVS)。最大可实现1～2kW的功率变换。实验证实了UCC3895的控制功能。预计会有较大的应用前景。