UCC3895控制器的保护功能及其改进

发布时间：2024-07-06 08:25:49   来源：产品中心

  是Unitrode公司生产的一款用于移相全桥开关电源PWM-ZVS控制的新型、软启动/软停止等功能,但是，在某些情况下其功能尚不够完善，仍不能够满足实际应用需要，本文对的保护功能进行了详尽的分析，并针对其在两种情况下的不足对UCC3895

  图中，EA为误差放大器，CSC为限流比较器，OCC为过流比较器，DISC为禁止比较器，UVLOC、REFC分别为电源欠压滞回比较器和参考电压比较器。外部引脚CS端、SS端分别接电流传感器输出和软启动电容。通过巧妙紧凑的设计，UCC3895使得保护功能和软启动功能融为一体，具有限流、过流保护、电源欠压保护、基准欠压保护、软启动/软停止等功能。

  根据对图1电路的逻辑分析，当VCS2V时，保护电路不动作，控制器正常工作。当2V

  当VCS2.5V时，OCC输出高电平，该高电平一方面通过或门U2经port3迅速使芯片封锁，从而使主电路停止工作，另一方面使RS触发器U1置1，从而使芯片维持封锁状态，以避免系统出现封锁-短路-封锁-短路的振荡状态而损坏。由于芯片封锁、主电路停止工作，短路现象被终止，因此，母线电流及其检测信号迅速下降到零。RS触发器U1置1后，其输出使软启动电容的1倍参考充电电流关断，而使10倍参考放电电流开通，因此，VSS线性下降。当VSS下降到低于0.5V后，通过DISC、U3使芯片封锁/解锁逻辑信号A置1，A置1一方面使RS触发器U1复位，电容由放电转为充电，VSS上升，另一方面使芯片仍然维持封锁状态。当VSS上升到高于0.5V后，芯片封锁状态被解除，系统可回到正常状态工作。此后，如果短路故障仍未排除，类似的短路-保护过程将重复出现，所不同的是由于短路时VSS很小，故封锁状态维持时间也很短。用Pspice9.1仿线中能够准确的看出，短路故障存在的100us内，短路-保护过程共发生了4次。

  图1中，当电源电压VDD低于9V或参考电压VREF低于4V时，比较器UVLOC或REFC输出低电平，一方面通过与非门U3，或门U2给出封锁信号。使主电路立马停止工作，另一方面，通过与非门U4使内部MOS管M1开通，VSS迅速降到接近零，VSS的低电平又通过U3使A维持为高电平，以避免在电源电压在10V附近或参考电压在4V附近频繁波动时出现主电路频繁开启关闭而造成的不稳定和可能损坏的情况。如果电源电压一直低于11V，或VREF一直低于4V，则A处将一直维持低电平，芯片始终被封锁，主电路将一直停止工作。若在某时刻电源电压升高到11V以上或VREF升高到4V以上时， M1被关断，软启动电容又开始由内部1倍参考电流源充电，系统又开始重新慢启动和软启动(UCC3895数据手册称这种能自恢复软启动的停止为“软停止”)。电源欠压保护的Pspice仿线所示。

  图中，从上到下分别为封锁信号port3端逻辑电平、模拟的电源电压(在大约900us~1100us之间欠电压)、SS/DISB端电压、开关电源主电路输出电流和主变压器原边电压波形。

  由2.1的分析可知，对电源系统偶然出现的瞬间短路故障(维持的时间不大于软启动电容的放电时间)，UCC3895能很好地进行保护，并重新软启动，因此，控制器具有自恢复功能。但是，若主电路存在不能自消除的长时间过流或短路故障时，系统将处于频繁的短路-保护-短路-保护状态，轻易造成电源系统损坏。针对这样的一种情况，对UCC3895的保护功能改进如图4所示。

  图中，U1和U2两片74HC161分别接成四进制和十二进制计数器，其中，U2的时钟信号来自UCC3895的SYNC端。其工作原理是，系统上电之初，D触发器U3通过R3、C1、G4、G5构成的复位电路被清零，D2截止，系统正常工作。计数器U2对UCC3895时钟信号SYNC进行十二分频，以十二倍的时钟周期对四进制计数器U1清零。当电流传感器输出电压大于2.5V时，比较器COMP1输出正脉冲，计数器U1计数。若在任一个清零周期内，电源过流次数小于3次，则U1的进位信号C和U3输出Q从始至终保持低电平，本部分电路仍不起作用。若在一个清零周期内，电源过流次数达到3次，则U1的进位信号C输出高电平， C的上升沿将导致U3输出Q被置1，且从始至终保持下去，从而UCC3895CS端始终为高电平，系统被挂起以等待检修，这样就避免了系统因频繁重复短路保护而损坏，时序逻辑波形如图5所示。

  作为特例，若在前一清零周期内，系统已过流或短路两次，则在下一清零周期内，如短路继续存在，则其次数若再达到三次系统即被挂起，在这种情况下，系统连续过流的次数最多也只有五次。通过检修若确认短路或过流故障已被排除，按一下SW1，U3被复位，系统又将重新软启动投入工作。电路中，计数器U1和U2所采用的进制可根据系统实际需要进行调整。

  在某些应用场合下，需要开关电源较频繁地停机和重启，若频繁地对直流母线或交流母线进行拉闸和合闸，不仅操作不便，而且对开关电源及其负载造成频繁冲击，影响电源系统、机械开关的常规使用的寿命，另外还会对电网导致非常严重污染。利用UCC3895控制器的SS/DISB功能可方便地解决这一问题，实现系统的软关闭，即延缓总系统的关断过程。利用UCC3895的SS/DISB端实现软关闭的电路如图6所示。

  需要停机时，将S拨到+5V电源上，软启动电容CSS上的电荷将通过三极管T放电，VSS/DISB将逐渐减小。由于在UCC3895内部，加到PWM比较器同相端的电压是误差放大器输出和SS/DISB上电压两者中的较小者，故当VSS/DISB减小到小于VEAOUT时，占空比将由VSS/DISB来控制，故占空比将逐步减小至零，当VSS/DISB减小到小于0.5V时，控制器输出彻底被封锁，软停机最终完成。要重新启动时，将S拨到“地”上，T截止，UCC3895内部1倍参考电流将对电容CSS充电，系统再次软启动。电阻R1的大小将决定软停机的快慢程度。该方案可实现“无级” 软停机，系统关闭过程平稳。

  本文对UCC3895保护功能进行了详细地分析，并对UCC3895控制器在开关电源系统中的应用进行了改进设计，克服了其在两种应用场合中的不足，对开关电源控制器的设计有借鉴意义。■

  3. 阎石. 数字电子技术基础(第四版)[M]. 北京:高等教育出版社,1998.

  4. 倪海东 蒋玉萍.高频开关电源集成控制器[M]. 北京:机械工业出版社,2004.