UCC2870初级控制反激式电源控制器启动性能分析
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摘要
UCC28700器件是一款初级控制反激式电源控制器，支持恒压与恒流调整。该器件不仅可针对电压及电流调整提供高分辨率，而且还具有极低的无负载功耗以及良好的启动性能，非常适合低功耗适配器及辅助电源应用。与同类竞争产品相比，UCC28700器件不仅具有更好的性能，而且所需的VDD电容器容量更小。客户可能遇到过UCC28700器件无法启动恒流满负载、但可启动电阻满负载的情况。其真正的原因是VDD电容器的值不够，而且初级峰值电流设计得太小。本文将探讨初级峰值电流和VDD电容器的设计，并将用实验结果验证理论分析。
1.介绍
UCC28700是一款恒压、恒流反激式控制器，无需使用光耦合器便可实现一次侧稳压。图1是UCC28700的应用电路。
图1：UCC28700应用电路
在图1中：
RSTR 是高电压启动电阻;
CDD 是 VDD 引脚上的蓄能电容器;
RS1 是高侧反馈电阻;
RS2 是低侧反馈电阻;
RCBC 是可编程线缆补偿电阻;
RCS 是初级峰值电流编程电阻;
RLC 是 MOSFET 关断延迟的补偿编程电阻。
初级峰值电流是UCC28700在恒流满负载条件下启动的一个重要因素。接下来将我们将进行详细分析。
2.分析
图2是UCC28700的二次侧电路，IS=IC+IL。如果在启动开始时UCC28700器件的负载是电阻，则VO会从零上升，而且 IL 已经足够低了，无需高Is。但如果该器件的负载是恒流，而且负载电流较大，就需要高IS来使IC保持为正，以缩短输出电压从0上升到VOCC所需的时间。VOCC是最低目标转换器输出电压，它会让辅助匝电压等于 VDD引脚上的UVLO关断电压。
图2：UCC28700二次侧电路
对于CDD、CO和变压器而言，可提供下列等式。等式4中提供了1mA的电流裕度。
注：NP是变压器的一次匝数，NS是二次匝数，NA是辅助匝数。
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
其中：
VDD(off)是UVLO关断电压。
VDD(on)是UVLO开启电压。
Irun是UCC28700工作时VDD引脚上的电源电流。
VDD是CDD电压。
ΔVDD是CDD上降低的电压。
ta是输出电压从0上升到VOCC时所用的时间。
根据上述等式，如果IS值为低，IC就将为小，因此输出电压上升到VOCC所需的时间ta就会较长。但在这段时间里，VDD可能会下降至VDD(off) 以下，而且UCC28700器件可能会进入UVLO状态，停止开关。随后通过RSTR的电流可为CDD充电。在VDD比VDD(on)高时，该器件会重新启动。尽管故障启动会继续，但UCC28700器件无法进入正常状态。
在等式4中，如果CDD足够大，ΔVDD对于特定ta而言将为小。因此，大容量CDD值和高初级峰值电流会让 UCC28700顺利启动。但是，大容量CDD值意味着较高价格和较大尺寸，而且高初级峰值电流会增大功耗及变压器尺寸。因此选择CDD和初级峰值电流需要进行权衡。
在正常工作中，VDD由辅助绕组电压决定。如果VO达到其最大值，VDD也会达到其最大值。该关系如等式6所示。
(6)
从等式2、3和6可以看出，如果NA增大，ta就会减少，这将有利于UCC28700的启动。因此NA也应该选择较大值，同时还必须为VDD提供电压裕度。
3.设计
除CDD和RCS之外，所有器件值都与UCC28700EVM-068 5-W USB适配器[1]原理图一样。图3摘自UCC28700产品说明书[2]。IS可使用等式7计算，这里ηXFMR是估计的变压器效率。
变压器效率受铁芯及绕组损耗、漏感比以及偏置功率与额定输出功率之比的影响。以一个5V、1A的充电器为例，1.5%的偏置功率是良好的估算值[1]。90%的整体变压器效率是约略估计，其中包括3.5%的漏感、5%的铁芯损耗及绕组损耗以及1.5%的偏置功率[1]。
最大初级峰值电流IPP出现在启动开始的时候，随即UCC28700器件会进入恒流调节状态，保持0.425的恒定二次二极管导通占空比。
该变压器是EVM上的WE 750312723，NP/NS=15.33、NP/NA=3.83，饱和电流为440mA。
图3：变压器电流
(7)
在启动开始时，输出电容器的平均充电电流为正值，充电电流等于(IS-IL)，如等式1所示。在VO上升至VOCC之前，辅助匝电压低于VDD，此时CDD无法通过辅助匝充电。但在此期间，CDD会被Irun和栅极驱动电流放电。如果 VDD低于VDD(off)，UCC28700器件就会关断。为确保器件顺利启动，在ta内VDD必须大于VDD(off)。在等式8和等式9中，应用了一个临界条件。Tstart是VO从0上升至VOCC的时间。等式2是VOCC和VDD(off)的关系。在等式8 中，有1mA的估计栅极驱动电流，而且为VDD添加了1V的裕度。VCST是芯片选择阈值电压。在启动开始时，UCC28700 VS引脚上的电压为低，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)调整性能，更高的最大工作频率，其可最大限度缩小解决方案尺寸。待机功耗不足30mW，符合五星评级要求。更高的最大VDD，可缩小VDD电容器值。在表1中突出显示的三种产品中，UCC28700器件是设计5V适配器的最佳选择。UCC28700器件可选择更高的NA/NS，因为根据等式2，它具有更高的最大VDD，可实现更短的tstart(见等式9)。在等式8中，tstart与CDD成正比，因此在设计中需要较小的CDD。
表 1：参数比较表
4.实验
为验证上述分析，我们使用了一款UCC28700EVM-068 5-W USB适配器。除了CDD和RCS外，所有器件值均保持不变，CDD=4.7μF、RCS=1.8Ω。负载为恒定电流1A。
图4是UCC28700的启动波形，CH1是MOSFET栅极驱动信号，CH3是输出电压。该器件启动顺畅，没有过冲和声频噪声。该图显示，UCC28700器件有非常好的启动性能。在图4中，tstart接近18ms，与计算结果吻合。
图4：UCC28700启动波形
图5、图6和图7是比较性实验。CH1是VDD电压，CH3是输出电压。
在图5中，CDD=4.7μF，RCS=2.05Ω：由于初级峰值电流不够大，VDD下降到VDD(off)之下，因此UCC28700器件无法启动。
在图6中，CDD=4.7μF，RCS=1.8Ω：初级峰值电流增大，因此能观察到良好的启动性能。
在图7中，CDD=4.7μF，RCS=2.05Ω：UCC28700器件无法启动，因为CDD的容量不足以提供足够的能量。
实验结果说明，大初级峰值电流和大容量CDD都能让UCC28700在恒流满负载下成功启动。这些结果印证了上述分析。
图5：CDD=4.7μF，RCS=2.05Ω时的UCC28700启动波形
图6：CDD=4.7μF，RCS=1.8Ω时的UCC28700启动波形
图7：CDD=1μF，RCS=1.8Ω时的UCC28700启动波形
5.结论
比较结果说明，UCC28700器件在CV及CC调节、解决方案尺寸、待机功耗和VDD电容器值方面具有更优异的特性。在本研究过程中，我们对初级峰值电流和VDD电容器进行了分析计算。随后根据等式选择了适当的参数，然后通过实验结果验证了该分析。
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