Trabajo básico
Ahora dentro de este IC tenemos muchos bloques de construcción importantes. Hay un amplificador de voltaje, luego un multiplicador analógico y divisor, un amplificador de corriente y un PWM que se ejecuta a una frecuencia fija.
También tenemos un controlador de puerta que funciona bien con MOSFET de potencia, luego una referencia de 7.5V, algo llamado anticipador de línea, un comparador de carga, un detector de bajo suministro y un comparador de sobrecorriente.
Entonces, esta IC funciona usando algo llamado control de modo de corriente promedio. Eso significa que controla la corriente de tal manera que mantiene la frecuencia fija, pero también se asegura de que el sistema se mantenga estable y la distorsión se mantenga baja.
Ahora, si comparamos esto con el control máximo de modo de corriente, entonces el tipo promedio se ve mejor porque mantiene la forma de onda de corriente de entrada correctamente sinusoidal sin necesidad de compensación de pendiente y sin ser demasiado sensible a los picos de ruido.
Este IC tiene un alto voltaje de referencia y una fuerte señal del oscilador para que no se ve afectado fácilmente por el ruido. Además, porque tiene circuitos PWM rápidos, puede funcionar para cambiar frecuencias por encima de 200 kHz, lo cual es bastante alto.
Ahora podemos usarlo en sistemas monofásicos y trifásicos y puede manejar los voltajes de entrada de 75V a 275V, al tiempo que trabaja con frecuencias de línea de CA en cualquier lugar desde 50Hz hasta 400Hz.
Otra característica agradable es que cuando el IC se inicia, no atrae mucha potencia, por lo que la alimentación de la fuente de alimentación no se sobrecarga.
Cuando se trata de envases, este IC viene en versiones de plástico y salsa de cerámica de 16 pines (paquete dual en línea) y también hay opciones de montaje en superficie disponibles. ¡En general, un IC bastante útil para hacer que la corrección de factores de potencia funcione correctamente!
Descripción detallada
Este IC UC3854 nos ayuda a hacer una corrección de factor de potencia activa en sistemas donde de lo contrario, tendríamos una corriente no sinusoidal extraída de una línea de energía sinusoidal. Entonces, este IC se asegura de que el sistema extraiga la energía de la línea de la mejor manera posible mientras mantiene la distorsión de la corriente de línea lo más baja posible, ¿de acuerdo?
Para lograr esto, tenemos un control de modo actual promedio dentro de este IC, y lo que esto hace es que mantiene el control actual de frecuencia fija, pero al mismo tiempo, también garantiza una buena estabilidad y baja distorsión.
Lo bueno del control promedio del modo actual es que permite que la etapa de impulso se mueva entre el modo continuo y el modo discontinuo sin causar ningún problema de rendimiento.
Pero si hubiéramos usado el modo de corriente máxima, entonces necesitaríamos una compensación de pendiente y aún así no podría mantener una corriente de línea sinusoidal perfecta. Más el modo de corriente máxima tiende a reaccionar más a los transitorios de ruido, pero el modo de corriente promedio no se ve afectado mucho, ¿de acuerdo?
Ahora, este UC3854 IC tiene todo lo que necesitamos para hacer una fuente de alimentación que pueda extraer la corriente de manera óptima de la línea de alimentación mientras mantiene la distorsión de la línea de la línea al mínimo.
Así que aquí tenemos un amplificador de voltaje, un multiplicador analógico y divisor, un amplificador de corriente y también un PWM de frecuencia fija, todo dentro de este único IC.
Pero espere, este IC también tiene un controlador de puerta que es totalmente compatible con MOSFET de potencia, una referencia de 7.5V, un anticipador de línea, un comparador de carga, un detector de baja suministro y un comparador de sobrecorriente.
Por lo tanto, todo lo que necesitamos para la corrección activa del factor de potencia ya está dentro, lo que hace que este IC sea súper útil para diseñar alimentos eficientes.
Este IC UC3854 tiene todos los circuitos dentro que necesitamos para controlar un corrector de factor de potencia, ¿verdad? Ahora, este IC está diseñado principalmente para funcionar con el control de modo actual promedio, pero lo bueno es que también podemos usarlo con diferentes topologías de potencia y métodos de control si lo queremos. Entonces, es bastante flexible.
Diagrama de bloques
Bloqueo de bajo voltaje y habilitar comparadores
Si miramos el diagrama de bloques, en la esquina superior izquierda, vemos dos cosas importantes: el comparador de bloqueo de bajo voltaje y el comparador de habilitación. Estos dos deben estar en el estado 'verdadero' para que el IC comience a funcionar, ¿de acuerdo?
Amplificador de error de voltaje y función de arranque suave
Luego tenemos el amplificador de error de voltaje cuya entrada de inversión va al pin vSense. Ahora en el diagrama, vemos algunos diodos alrededor del amplificador de error de voltaje, pero estos diodos están ahí para ayudarnos a comprender cómo funcionan los circuitos internos. No son diodos reales en el interior.
Ahora, ¿qué pasa con la entrada no inversa del amplificador de error? Normalmente se conecta a una referencia de DC de 7.5V, pero también se usa para el inicio suave.
Entonces, lo que sucede es que, cuando se inicia el circuito, esta configuración permite que el bucle de control de voltaje comience a funcionar antes de que el voltaje de salida alcance su nivel final.
De esta manera, no obtenemos ese sobrepaso de activación molesto que muchos suministros de alimentación tienen.
Luego hay otro diodo ideal en el diagrama entre Vsense y la entrada invertida del amplificador de error, pero está ahí para eliminar cualquier confusión; no hay una caída de diodos adicional en el circuito real. En cambio, dentro del IC hacemos todo esto usando amplificadores diferenciales. Además, tenemos una fuente de corriente interna para cargar el condensador de sincronización de arranque suave.
Funcionalidad multiplicador
Ahora hablemos sobre el multiplicador. La salida del amplificador de error de voltaje está disponible en PIN VAOUT y esta es también una de las entradas para el multiplicador.
Otra entrada al multiplicador es IAC, que proviene de los rectificadores de entrada y ayuda a programar la forma de la onda. Este pin IAC se mantiene internamente a 6V y actúa como una entrada actual.
Luego tenemos VFF, que es la entrada de Feedforward y dentro del IC, su valor se cuadra antes de ir a la entrada del divisor del multiplicador.
Otra cosa que entra en el multiplicador es el ISET que proviene del rset de pin, y ayuda a establecer la corriente de salida máxima.
Ahora, ¿qué sale del multiplicador? La corriente de la OMI que fluye desde PIN multOut y esto se conecta a la entrada no inversa del amplificador de error actual.
Control de corriente y modulación de ancho de pulso
Ahora, la entrada invertida del amplificador de corriente está conectada a PIN Isense y su salida va al comparador PWM, donde se compara con la señal de rampa del oscilador de PIN CT.
El oscilador y el comparador luego controlan el flip-flop de resolución de ajuste que a su vez impulsa la salida de alta corriente en PIN GTDRV.
Ahora para proteger los MOSFET de potencia, el voltaje de salida del IC se sujeta internamente a 15V, por lo que no terminamos sobrecargando las puertas MOSFET.
Límite de corriente máxima y conexiones de la fuente de alimentación
Por seguridad, hay una función límite de corriente máxima de emergencia que se controla con PIN PKLMT. Si este pasador se tira ligeramente debajo del suelo, entonces el pulso de salida se apaga inmediatamente.
Finalmente tenemos la salida de voltaje de referencia en el pin VREF y el voltaje de entrada va a PIN VCC.
Información de la aplicación
Ok, entonces este IC se usa principalmente en fuentes de alimentación AC-DC donde necesitamos corrección de factor de potencia activa (PFC) desde una línea de CA universal. Eso significa que podemos usarlo en sistemas donde el voltaje de entrada puede variar ampliamente, pero aún debemos asegurarnos de que el factor de potencia se mantenga alto y que los armónicos de la corriente de entrada permanecen bajos, ¿de acuerdo?
Ahora, las aplicaciones que usan este UC3854 IC generalmente siguen los estándares de armónicos de corriente de entrada del equipo Clase D, que forma parte de EN61000-3-2.
Este es un estándar importante para las fuentes de alimentación que tienen una potencia nominal por encima de 75W, por lo que si estamos diseñando algo así, entonces este IC nos ayuda a cumplir con esos límites de distorsión armónica sin problemas adicionales.
Si verificamos el rendimiento de este IC en un circuito de corrección de factor de potencia de 250 W, entonces podemos ver que se ha probado correctamente utilizando un instrumento de medición PFC y THD de precisión.
¿Los resultados? El factor de potencia fue de 0.999, lo cual es casi perfecto y la distorsión armónica total (THD) fue de solo 3.81%. Estos valores se midieron hasta el 50º armónico de la frecuencia de línea, a voltaje de entrada nominal y carga completa. Entonces esto nos dice que este IC realmente puede ayudarnos a obtener una conversión de energía limpia y eficiente.
Aplicación típica (diagrama de circuito PFC)
Si observamos la figura anterior, vemos un circuito de aplicación típico donde el IC UC3854 se usa como un prerregulador con alto factor de potencia y alta eficiencia.
Entonces, ¿cómo se construye esto? Tenemos dos secciones principales en este circuito:
- El circuito de control que se construye alrededor del UC3854.
- La sección de potencia que realmente maneja la conversión de potencia.
Ahora la sección de potencia aquí es un convertidor de impulso y el inductor dentro de ella funciona en modo de conducción continua (CCM).
Lo que esto significa es que el ciclo de trabajo dependerá de la relación del voltaje de entrada al voltaje de salida, ¿OK? Pero lo bueno es que el inductor funciona en modo continuo, por lo que la corriente de entrada de entrada a la frecuencia de conmutación se mantiene baja.
Esto significa que obtenemos menos ruido en la línea de alimentación, lo cual es importante para el cumplimiento de EMI.
Ahora una cosa importante en este circuito es que el voltaje de salida siempre debe ser mayor que el voltaje máximo del más alto voltaje de entrada de CA esperado. Por lo tanto, necesitamos seleccionar todos los componentes cuidadosamente asegurándonos de que puedan manejar las clasificaciones de voltaje sin ningún problema.
A plena carga, este circuito del prerregulador logra un factor de potencia de 0.99, sin importar cuál sea el voltaje de la línea de alimentación de entrada, siempre que permanezca entre 80 V y 260 V rms. Eso significa que incluso si el voltaje de entrada cambia, el circuito aún corrige el factor de potencia de manera efectiva.
Ahora, si necesita un nivel de potencia más alto, aún puede usar este mismo circuito, pero es posible que deba hacer pequeños cambios en la etapa de potencia. Por lo tanto, no necesita rediseñar todo desde cero, solo ajuste algunas cosas para manejar los requisitos de mayor potencia.
Requisitos de diseño
Para el ejemplo de diseño de circuito PFC anterior que se muestra anterior, utilizaremos los parámetros como se indica en la siguiente Tabla 1 como los parámetros de entrada.
Proceso de diseño integral
La puerta de potencia MOSFET en la etapa de control del circuito recibe los pulsos PWM (GTDRV) del UC3854. Cuatro entradas diferentes al chip trabajan juntas para regular simultáneamente el ciclo de trabajo de esta salida.
Los controles agregados de un tipo auxiliar se ofrecen en este diseño. Sirven como salvaguardia contra situaciones transitorias específicas para los MOSFET de potencia de conmutación.
Entradas de protección
Ahora hablamos de las entradas de protección en este IC. Estos son importantes porque nos ayudan a controlar el circuito en caso de problemas, retrasos de encendido o situaciones de sobrecorriente, OK.
ENA (Enable) Pin
Ahora, aquí tenemos el pin ena que significa habilitar. Este pin debe alcanzar 2.5 V antes de que las salidas VREF y GTDRV puedan activarse. Por lo tanto, significa que podemos usar este PIN para apagar la unidad de la puerta si algo sale mal o podemos usarlo para retrasar el inicio cuando el circuito se enciende por primera vez.
Pero hay más. Este PIN tiene una brecha de histéresis de 200 mV que ayuda a prevenir la conmutación errática o los giros no deseados debido al ruido. Entonces, una vez que cruza 2.5 V, permanecerá encendido hasta que el voltaje caiga por debajo de 2.3 V, lo que hace que la operación sea más estable, está bien.
También tenemos protección contra la subvoltaje dentro del IC que funciona directamente en VCC. El IC se encenderá cuando VCC alcance 16 V y se apagará si VCC cae por debajo de 10 V. Esto significa que si el voltaje de la fuente de alimentación cae demasiado bajo, el IC se apagará automáticamente para evitar el mal funcionamiento.
Pero si no estamos usando el pin ENA, entonces debemos conectarlo a VCC usando una resistencia de 100 kilo-ohmios. De lo contrario, podría flotar y causar un comportamiento no deseado.
SS (inicio suave) pin
A continuación, nos movemos al pin SS que significa inicio suave. Controla qué tan rápido comienza el circuito reduciendo el voltaje de referencia del amplificador de error durante el inicio.
Normalmente, si dejamos el pin SS abierto, el voltaje de referencia permanece a 7,5 V. Pero si conectamos un condensador CSS de SS a tierra, la fuente de corriente interna dentro del IC cargará este condensador lentamente.
La corriente de carga es de aproximadamente 14 miliamperios, por lo que el condensador se carga linealmente de 0 V a 7.5 V. El tiempo que lleva esto sucederá por esta fórmula.
Tiempo de inicio suave = 0.54 * CSS en microfarads segundos
Esto significa que si usamos un condensador más grande, el tiempo de inicio se hace más largo, haciendo que el circuito se encienda suavemente en lugar de saltar de repente a voltaje completo, ok.
PKLMT (límite de corriente máxima)
Ahora llegamos a PKLMT, que representa el límite de corriente máxima. Este pin es muy importante porque establece la corriente máxima que la potencia MOSFET puede manejar.
Digamos que usamos el divisor de resistencia que se muestra en el diagrama de circuito. Esto es lo que pasa.
El voltaje en el pasador PKLMT alcanza 0 voltios cuando el voltaje cae a través de la resistencia de sentido de corriente es:
7.5 voltios * 2 k / 10 k = 1.5 voltios
Si usamos una resistencia de sentido de corriente de 0.25 ohmios, entonces esta caída de 1.5 voltios corresponde a una corriente de:
Actual i = 1.5 / 0.25 ohmios = 6 amperios
Esto significa que la corriente máxima se limita a 6 amperios, OK.
Pero una cosa más. TI recomienda que conectemos un condensador de derivación de PKLMT a tierra. Por qué. Debido a que esto ayuda a filtrar el ruido de alta frecuencia, asegurarse de que la detección de límite actual funcione con precisión y no se ve afectado por picos de ruido no deseados.
Entradas de control
VSense (sentido de voltaje de salida de CC)
Ok, ahora hablamos del pin Vsense. Este pin se utiliza para detectar el voltaje de CC de salida. El voltaje umbral para esta entrada es de 7.5 voltios, y la corriente de polarización de entrada es típicamente 50 nanoamperes.
Si verificamos los valores en el diagrama de circuito, vemos que se basan en un voltaje de salida de 400 voltios de CC. En este circuito, el amplificador de voltaje funciona con una ganancia constante de baja frecuencia para mantener mínimas las fluctuaciones de salida.
También encontramos un condensador de retroalimentación de 47 nanofarad que crea un poste de 15 hertz en el bucle de voltaje. ¿Por qué necesitamos esto? Debido a que evita que 120 Hertz Ripple afecte la corriente de entrada, lo que hace que la operación sea más estable, está bien.
IAC (forma de onda de línea)
Ahora pasemos al pin IAC. ¿Qué hace? Ayuda a asegurarse de que la forma de onda de corriente de línea siga la misma forma que el voltaje de línea.
Entonces, ¿cómo funciona? Una pequeña muestra de la forma de onda de voltaje de la línea de alimentación se alimenta a este pin. Dentro del IC, esta señal se multiplica por la salida del amplificador de voltaje en el multiplicador interno. El resultado es una señal de referencia utilizada por el bucle de control actual, OK.
Pero aquí hay algo importante. Esta entrada no es una entrada de voltaje sino una entrada de corriente y es por eso que la llamamos IAC.
Ahora, ¿cómo establecemos esta corriente? Utilizamos un divisor de resistencia con 220 kilo-ohms y 910 kilo-ohms. El voltaje en el pasador IAC se fija internamente a 6 voltios. Por lo tanto, estas resistencias se eligen de tal manera que la corriente que fluye en IAC comienza desde cero en cada cruce cero y alcanza aproximadamente 400 microamperios en el pico de la forma de onda.
Utilizamos las siguientes fórmulas para calcular estos valores de resistencia:
Rac = VPK / IACPK
que nos da
Rac = (260 voltios AC * √2) / 400 microamperios = 910 kilo-ohms
donde VPK es el voltaje de la línea máxima.
Ahora, calculamos RREF usando:
Rref = rac / 4
Entonces, rref = 220 kilo-ohms
