UCC2870 启动性能分析

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：

lRSTR 是高电压启动电阻；

lCDD 是 VDD 引脚上的蓄能电容器；

lRS1 是高侧反馈电阻；

lRS2 是低侧反馈电阻；

lRCBC 是可编程线缆补偿电阻；

lRCS 是初级峰值电流编程电阻；

lRLC 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。

其中：

lVDD(off) 是 UVLO 关断电压。

lVDD(on) 是 UVLO 开启电压。

lIrun 是 UCC28700 工作时 VDD 引脚上的电源电流。

lVDD 是 CDD 电压。

lΔVDD 是 CDD 上降低的电压。

lta 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。

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

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。

    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

产品型号

UCC28700

OB2520M

iW1680

CV（恒压）

5%

5%

0

CC（恒流）

5%

6%

0

最大工作效率

130 kHz

100 kHz

72kHz

待机功耗

<30 mW

<200 mW

<30mW

最大 VDD

38V

28V

25V

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。

l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。

l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。

l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。

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。