UCC2870初級控制反激式電源控制器啟動性能分析

　　摘要

　　UCC28700器件是一款初級控制反激式電源控制器，支持恒壓與恒流調(diào)整。該器件不僅可針對電壓及電流調(diào)整提供高分辨率，而且還具有極低的無負(fù)載功耗以及良好的啟動性能，非常適合低功耗適配器及輔助電源應(yīng)用。與同類競爭產(chǎn)品相比，UCC28700器件不僅具有更好的性能，而且所需的VDD電容器容量更小?？蛻艨赡苡龅竭^UCC28700器件無法啟動恒流滿負(fù)載、但可啟動電阻滿負(fù)載的情況。其真正的原因是VDD電容器的值不夠，而且初級峰值電流設(shè)計(jì)得太小。本文將探討初級峰值電流和VDD電容器的設(shè)計(jì)，并將用實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證理論分析。

　　1.介紹

　　UCC28700是一款恒壓、恒流反激式控制器，無需使用光耦合器便可實(shí)現(xiàn)一次側(cè)穩(wěn)壓。圖1是UCC28700的應(yīng)用電路。

　　圖1：UCC28700應(yīng)用電路

　　在圖1中：

　　RSTR 是高電壓啟動電阻;

　　CDD 是 VDD 引腳上的蓄能電容器;

　　RS1 是高側(cè)反饋電阻;

　　RS2 是低側(cè)反饋電阻;

　　RCBC 是可編程線纜補(bǔ)償電阻;

　　RCS 是初級峰值電流編程電阻;

　　RLC 是 MOSFET 關(guān)斷延遲的補(bǔ)償編程電阻。

　　初級峰值電流是UCC28700在恒流滿負(fù)載條件下啟動的一個重要因素。接下來將我們將進(jìn)行詳細(xì)分析。

　　2.分析

　　圖2是UCC28700的二次側(cè)電路，IS=IC+IL。如果在啟動開始時UCC28700器件的負(fù)載是電阻，則VO會從零上升，而且 IL 已經(jīng)足夠低了，無需高Is。但如果該器件的負(fù)載是恒流，而且負(fù)載電流較大，就需要高IS來使IC保持為正，以縮短輸出電壓從0上升到VOCC所需的時間。VOCC是最低目標(biāo)轉(zhuǎn)換器輸出電壓，它會讓輔助匝電壓等于 VDD引腳上的UVLO關(guān)斷電壓。

　　圖2：UCC28700二次側(cè)電路

　　對于CDD、CO和變壓器而言，可提供下列等式。等式4中提供了1mA的電流裕度。

　　注：NP是變壓器的一次匝數(shù)，NS是二次匝數(shù)，NA是輔助匝數(shù)。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

　　其中：

　　VDD(off)是UVLO關(guān)斷電壓。

　　VDD(on)是UVLO開啟電壓。

　　Irun是UCC28700工作時VDD引腳上的電源電流。

　　VDD是CDD電壓。

　　ΔVDD是CDD上降低的電壓。

　　ta是輸出電壓從0上升到VOCC時所用的時間。

　　根據(jù)上述等式，如果IS值為低，IC就將為小，因此輸出電壓上升到VOCC所需的時間ta就會較長。但在這段時間里，VDD可能會下降至VDD(off) 以下，而且UCC28700器件可能會進(jìn)入UVLO狀態(tài)，停止開關(guān)。隨后通過RSTR的電流可為CDD充電。在VDD比VDD(on)高時，該器件會重新啟動。盡管故障啟動會繼續(xù)，但UCC28700器件無法進(jìn)入正常狀態(tài)。

　　在等式4中，如果CDD足夠大，ΔVDD對于特定ta而言將為小。因此，大容量CDD值和高初級峰值電流會讓 UCC28700順利啟動。但是，大容量CDD值意味著較高價格和較大尺寸，而且高初級峰值電流會增大功耗及變壓器尺寸。因此選擇CDD和初級峰值電流需要進(jìn)行權(quán)衡。

　　在正常工作中，VDD由輔助繞組電壓決定。如果VO達(dá)到其最大值，VDD也會達(dá)到其最大值。該關(guān)系如等式6所示。

(6)

　　從等式2、3和6可以看出，如果NA增大，ta就會減少，這將有利于UCC28700的啟動。因此NA也應(yīng)該選擇較大值，同時還必須為VDD提供電壓裕度。

　　3.設(shè)計(jì)

　　除CDD和RCS之外，所有器件值都與UCC28700EVM-068 5-W USB適配器[1]原理圖一樣。圖3摘自UCC28700產(chǎn)品說明書[2]。IS可使用等式7計(jì)算，這里ηXFMR是估計(jì)的變壓器效率。

　　變壓器效率受鐵芯及繞組損耗、漏感比以及偏置功率與額定輸出功率之比的影響。以一個5V、1A的充電器為例，1.5%的偏置功率是良好的估算值[1]。90%的整體變壓器效率是約略估計(jì)，其中包括3.5%的漏感、5%的鐵芯損耗及繞組損耗以及1.5%的偏置功率[1]。

　　最大初級峰值電流IPP出現(xiàn)在啟動開始的時候，隨即UCC28700器件會進(jìn)入恒流調(diào)節(jié)狀態(tài)，保持0.425的恒定二次二極管導(dǎo)通占空比。

　　該變壓器是EVM上的WE 750312723，NP/NS=15.33、NP/NA=3.83，飽和電流為440mA。

　　圖3：變壓器電流

(7)

　　在啟動開始時，輸出電容器的平均充電電流為正值，充電電流等于(IS-IL)，如等式1所示。在VO上升至VOCC之前，輔助匝電壓低于VDD，此時CDD無法通過輔助匝充電。但在此期間，CDD會被Irun和柵極驅(qū)動電流放電。如果 VDD低于VDD(off)，UCC28700器件就會關(guān)斷。為確保器件順利啟動，在ta內(nèi)VDD必須大于VDD(off)。在等式8和等式9中，應(yīng)用了一個臨界條件。Tstart是VO從0上升至VOCC的時間。等式2是VOCC和VDD(off)的關(guān)系。在等式8 中，有1mA的估計(jì)柵極驅(qū)動電流，而且為VDD添加了1V的裕度。VCST是芯片選擇閾值電壓。在啟動開始時，UCC28700 VS引腳上的電壓為低，因此VCST保持其最大值。

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(9)

(10)

　　如表1所示，UCC28700器件有更好的恒流(CC)調(diào)整性能，更高的最大工作頻率，其可最大限度縮小解決方案尺寸。待機(jī)功耗不足30mW，符合五星評級要求。更高的最大VDD，可縮小VDD電容器值。在表1中突出顯示的三種產(chǎn)品中，UCC28700器件是設(shè)計(jì)5V適配器的最佳選擇。UCC28700器件可選擇更高的NA/NS，因?yàn)楦鶕?jù)等式2，它具有更高的最大VDD，可實(shí)現(xiàn)更短的tstart(見等式9)。在等式8中，tstart與CDD成正比，因此在設(shè)計(jì)中需要較小的CDD。

　　表 1：參數(shù)比較表

　　4.實(shí)驗(yàn)

　　為驗(yàn)證上述分析，我們使用了一款UCC28700EVM-068 5-W USB適配器。除了CDD和RCS外，所有器件值均保持不變，CDD=4.7μF、RCS=1.8Ω。負(fù)載為恒定電流1A。

　　圖4是UCC28700的啟動波形，CH1是MOSFET柵極驅(qū)動信號，CH3是輸出電壓。該器件啟動順暢，沒有過沖和聲頻噪聲。該圖顯示，UCC28700器件有非常好的啟動性能。在圖4中，tstart接近18ms，與計(jì)算結(jié)果吻合。

　　圖4：UCC28700啟動波形

　　圖5、圖6和圖7是比較性實(shí)驗(yàn)。CH1是VDD電壓，CH3是輸出電壓。

　　在圖5中，CDD=4.7μF，RCS=2.05Ω：由于初級峰值電流不夠大，VDD下降到VDD(off)之下，因此UCC28700器件無法啟動。

　　在圖6中，CDD=4.7μF，RCS=1.8Ω：初級峰值電流增大，因此能觀察到良好的啟動性能。

　　在圖7中，CDD=4.7μF，RCS=2.05Ω：UCC28700器件無法啟動，因?yàn)镃DD的容量不足以提供足夠的能量。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，大初級峰值電流和大容量CDD都能讓UCC28700在恒流滿負(fù)載下成功啟動。這些結(jié)果印證了上述分析。

　　圖5：CDD=4.7μF，RCS=2.05Ω時的UCC28700啟動波形

　　圖6：CDD=4.7μF，RCS=1.8Ω時的UCC28700啟動波形

　　圖7：CDD=1μF，RCS=1.8Ω時的UCC28700啟動波形

　　5.結(jié)論

　　比較結(jié)果說明，UCC28700器件在CV及CC調(diào)節(jié)、解決方案尺寸、待機(jī)功耗和VDD電容器值方面具有更優(yōu)異的特性。在本研究過程中，我們對初級峰值電流和VDD電容器進(jìn)行了分析計(jì)算。隨后根據(jù)等式選擇了適當(dāng)?shù)膮?shù)，然后通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該分析。