《電子技術(shù)應(yīng)用》
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UCC2870 啟動(dòng)性能分析

2014-12-11
來(lái)源:德州儀器

1.介紹

    UCC28700 是一款恒壓、恒流反激式控制器,無(wú)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:

lRSTR 是高電壓?jiǎn)?dòng)電阻,;

lCDD 是 VDD 引腳上的蓄能電容器,;

lRS1 是高側(cè)反饋電阻,;

lRS2 是低側(cè)反饋電阻,;

lRCBC 是可編程線纜補(bǔ)償電阻,;

lRCS 是初級(jí)峰值電流編程電阻,;

lRLC 是 MOSFET 關(guān)斷延遲的補(bǔ)償編程電阻。

初級(jí)峰值電流是 UCC28700 在恒流滿負(fù)載條件下啟動(dòng)的一個(gè)重要因素,。接下來(lái)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(dòng)開(kāi)始時(shí) UCC28700 器件的負(fù)載是電阻,,則 VO 會(huì)從零上升,而且 IL 已經(jīng)足夠低了,,無(wú)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(lái)使 IC 保持為正,,以縮短輸出電壓從 0 上升到 VOCC 所需的時(shí)間。VOCC 是最低目標(biāo)轉(zhuǎn)換器輸出電壓,,它會(huì)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(duì)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)。

其中:

lVDD(off) 是 UVLO 關(guān)斷電壓,。

lVDD(on) 是 UVLO 開(kāi)啟電壓,。

lIrun 是 UCC28700 工作時(shí) VDD 引腳上的電源電流。

lVDD 是 CDD 電壓,。

lΔVDD 是 CDD 上降低的電壓,。

lta 是輸出電壓從 0 上升到 VOCC 時(shí)所用的時(shí)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(shí)間 ta 就會(huì)較長(zhǎng),。但在這段時(shí)間里,VDD可能會(huì)下降至 VDD(off)以下,,而且 UCC28700 器件可能會(huì)進(jìn)入 UVLO 狀態(tài),,停止開(kāi)關(guān),。隨后通過(guò) RSTR 的電流可為 CDD 充電。在 VDD比 VDD(on)高時(shí),,該器件會(huì)重新啟動(dòng),。盡管故障啟動(dòng)會(huì)繼續(xù),但 UCC28700 器件無(wú)法進(jìn)入正常狀態(tài),。

    在等式 4 中,,如果 CDD 足夠大,ΔVDD 對(duì)于特定 ta而言將為小,。因此,,大容量 CDD 值和高初級(jí)峰值電流會(huì)讓 UCC28700 順利啟動(dòng)。但是,,大容量 CDD 值意味著較高價(jià)格和較大尺寸,,而且高初級(jí)峰值電流會(huì)增大功耗及變壓器尺寸。因此選擇 CDD 和初級(jí)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(huì)達(dá)到其最大值,。該關(guān)系如等式 6 所示。

    從等式 2,、3 和 6 可以看出,,如果 NA 增大,ta 就會(huì)減少,,這將有利于 UCC28700 的啟動(dòng),。因此 NA 也應(yīng)該選擇較大值,同時(shí)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(shuō)明書(shū)[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(gè) 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(jí)峰值電流 IPP 出現(xiàn)在啟動(dòng)開(kāi)始的時(shí)候,,隨即 UCC28700 器件會(huì)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

    在啟動(dòng)開(kāi)始時(shí),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(shí) CDD 無(wú)法通過(guò)輔助匝充電。但在此期間,,CDD 會(huì)被 Irun 和柵極驅(qū)動(dòng)電流放電,。如果 VDD 低于 VDD(off),UCC28700 器件就會(huì)關(guān)斷,。為確保器件順利啟動(dòng),,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(gè)臨界條件,。Tstart 是 VO 從 0 上升至 VOCC 的時(shí)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(dòng)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(dòng)開(kāi)始時(shí),UCC28700 VS 引腳上的電壓為低,,因此 VCST 保持其最大值,。

    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(píng)級(jí)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(jiàn)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

產(chǎn)品型號(hào)

UCC28700

OB2520M

iW1680

CV(恒壓)

5%

5%

0

CC(恒流)

5%

6%

0

最大工作效率

130 kHz

100 kHz

72kHz

待機(jī)功耗

<30 mW

<200 mW

<30mW

最大 VDD

38V

28V

25V

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

圖 4:UCC28700 啟動(dòng)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,。

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

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

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

實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明,,大初級(jí)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(dòng)。這些結(jié)果印證了上述分析,。

圖 5:CDD=4.7μF,,RCS=2.05Ω 時(shí)的 UCC28700 啟動(dòng)波形

圖 6:CDD=4.7μF,RCS=1.8Ω 時(shí)的UCC28700 啟動(dòng)波形

圖 7:CDD=1μF,,RCS=1.8Ω 時(shí)的UCC28700 啟動(dòng)波形

5.結(jié)論

    比較結(jié)果說(shuō)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(guò)程中,我們對(duì)初級(jí)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(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該分析。

6.參考資料

[1] 《UCC28700EVM-068 5-W USB適配器》,。德州儀器用戶指南,,SLUU968,2012 年 7 月,。

[2]《支持一次側(cè)穩(wěn)壓的恒壓恒流控制器》,。德州儀器 UCC2870x 產(chǎn)品說(shuō)明書(shū),SLUSB41,,2012 年 7 月,。

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