《電子技術(shù)應(yīng)用》
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UCC2870 啟動性能分析

2014-12-11
來源:德州儀器

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(bǔ)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(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)。

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(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。

    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(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(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 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(jī)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(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(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。

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