UCC2870 启动性能分析

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：

lR_STR 是高电压启动电阻；

lC_DD 是 V_DD 引脚上的蓄能电容器；

lR_S1 是高侧反馈电阻；

lR_S2 是低侧反馈电阻；

lR_CBC 是可编程线缆补偿电阻；

lR_CS 是初级峰值电流编程电阻；

lR_LC 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，I_S=I_C+I_L。如果在启动开始时 UCC28700 器件的负载是电阻，则 V_O 会从零上升，而且 I_L 已经足够低了，无需高 I_s。但如果该器件的负载是恒流，而且负载电流较大，就需要高 I_S 来使 I_C 保持为正，以缩短输出电压从 0 上升到 V_OCC所需的时间。V_OCC 是最低目标转换器输出电压，它会让辅助匝电压等于 V_DD引脚上的 UVLO 关断电压。

图 2：UCC28700 二次侧电路

对于 C_DD、C_O 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：N_P 是变压器的一次匝数，N_S 是二次匝数，N_A 是辅助匝数。

其中：

lV_DD(off) 是 UVLO 关断电压。

lV_DD(on) 是 UVLO 开启电压。

lI_run 是 UCC28700 工作时 V_DD 引脚上的电源电流。

lV_DD 是 C_DD 电压。

lΔV_DD 是 C_DD 上降低的电压。

lt_a 是输出电压从 0 上升到 V_OCC 时所用的时间。

根据上述等式，如果 I_S值为低，I_C 就将为小，因此输出电压上升到 V_OCC 所需的时间 t_a 就会较长。但在这段时间里，V_DD可能会下降至 V_DD(off)以下，而且 UCC28700 器件可能会进入 UVLO 状态，停止开关。随后通过 R_STR 的电流可为 C_DD 充电。在 V_DD比 V_DD(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 C_DD 足够大，ΔV_DD 对于特定 t_a而言将为小。因此，大容量 C_DD 值和高初级峰值电流会让 UCC28700 顺利启动。但是，大容量 C_DD 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 C_DD 和初级峰值电流需要进行权衡。

在正常工作中，V_DD 由辅助绕组电压决定。如果 V_O 达到其最大值，V_DD 也会达到其最大值。该关系如等式 6 所示。

从等式 2、3 和 6 可以看出，如果 N_A 增大，t_a 就会减少，这将有利于 UCC28700 的启动。因此 N_A 也应该选择较大值，同时还必须为 V_DD 提供电压裕度。

3.设计

除 C_DD 和 R_CS 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]。I_S可使用等式 7 计算，这里 η_XFMR 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 I_PP 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

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 (I_S-I_L)，如等式 1 所示。在 V_O 上升至 V_OCC 之前，辅助匝电压低于 V_DD，此时 C_DD 无法通过辅助匝充电。但在此期间，C_DD 会被 I_run 和栅极驱动电流放电。如果 V_DD 低于 V_DD(off)，UCC28700 器件就会关断。为确保器件顺利启动，在 t_a 内 V_DD 必须大于 V_DD(off)。在等式 8 和等式 9 中，应用了一个临界条件。T_start 是 V_O 从 0 上升至 V_OCC 的时间。等式 2 是 V_OCC 和 V_DD(off)的关系。在等式 8 中，有 1mA 的估计栅极驱动电流，而且为 V_DD 添加了 1V 的裕度。V_CST是芯片选择阈值电压。在启动开始时，UCC28700 V_S 引脚上的电压为低，因此 V_CST 保持其最大值。

    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 V_DD，可缩小 V_DD 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 N_A/N_S，因为根据等式 2，它具有更高的最大 V_DD，可实现更短的 t_start（见等式 9）。在等式 8 中，t_start 与 C_DD 成正比，因此在设计中需要较小的 C_DD。

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 C_DD 和 R_CS外，所有器件值均保持不变，C_DD=4.7μF、R_CS=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，t_start 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 V_DD 电压，CH3 是输出电压。

l在图 5 中，C_DD=4.7μF，R_CS=2.05Ω：由于初级峰值电流不够大，V_DD 下降到 V_DD(off) 之下，因此 UCC28700 器件无法启动。

l在图 6 中，C_DD=4.7μF，R_CS=1.8Ω：初级峰值电流增大，因此能观察到良好的启动性能。

l在图 7 中，C_DD=4.7μF，R_CS=2.05Ω：UCC28700 器件无法启动，因为 C_DD 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 C_DD 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：C_DD=4.7μF，RCS=2.05Ω 时的 UCC28700 启动波形

图 6：C_DD=4.7μF，RCS=1.8Ω 时的UCC28700 启动波形

图 7：C_DD=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 V_DD 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 V_DD 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。

6.参考资料

[1] 《UCC28700EVM-068 5-W USB适配器》。德州仪器用户指南，SLUU968，2012 年 7 月。

[2]《支持一次侧稳压的恒压恒流控制器》。德州仪器 UCC2870x 产品说明书，SLUSB41，2012 年 7 月。