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 是高電壓啟動電阻,；
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 是可編程線纜補償電阻；
lRCS 是初級峰值電流編程電阻,；
lRLC 是 MOSFET 關(guān)斷延遲的補償編程電阻,。
初級峰值電流是 UCC28700 在恒流滿負載條件下啟動的一個重要因素。接下來將我們將進行詳細分析,。
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,。但如果該器件的負載是恒流,，而且負載電流較大，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),。
其中：
lVDD(off) 是 UVLO 關(guān)斷電壓。
lVDD(on) 是 UVLO 開啟電壓,。
lIrun 是 UCC28700 工作時 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行權(quán)衡,。
在正常工作中，VDD 由輔助繞組電壓決定,。如果 VO 達到其最大值,，VDD 也會達到其最大值。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
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 計算，這里 ηXFMR 是估計的變壓器效率,。
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,，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,。
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 5V 適配器的最佳選擇,。UCC28700 器件可選擇更高的 NA/NS,，因為根據(jù)等式 2，它具有更高的最大 VDD,，可實現(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)計中需要較小的 CDD,。
表 1：參數(shù)比較表
|
產(chǎn)品型號 |
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 |
|
待機功耗 |
<30 mW |
<200 mW |
<30mW |
|
最大 VDD |
38V |
28V |
25V |
4.實驗
為驗證上述分析，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 是比較性實驗。CH1 是 VDD 電壓,，CH3 是輸出電壓,。
l在圖 5 中，CDD=4.7μF,，RCS=2.05Ω：由于初級峰值電流不夠大,，VDD 下降到 VDD(off) 之下,，因此 UCC28700 器件無法啟動。
l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,。
l在圖 7 中，CDD=4.7μF,，RCS=2.05Ω：UCC28700 器件無法啟動,，因為 CDD 的容量不足以提供足夠的能量。
實驗結(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 電容器進行了分析計算。隨后根據(jù)等式選擇了適當(dāng)?shù)膮?shù),，然后通過實驗結(jié)果驗證了該分析,。
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)品說明書,，SLUSB41，2012 年 7 月,。