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初級控制反激式電源控制器啟動性能分析

發(fā)布時間：2014-12-26 責任編輯：xueqi

【導讀】本文將探討了初級峰值電流和VDD電容器的設計，并將用實驗結果驗證理論分析計算，并根據(jù)等式選擇了適當?shù)膮?shù)，最后通過實驗結果驗證了該分析。

摘要

UCC28700器件是一款初級控制反激式電源控制器，支持恒壓與恒流調整。該器件不僅可針對電壓及電流調整提供高分辨率，而且還具有極低的無負載功耗以及良好的啟動性能，非常適合低功耗適配器及輔助電源應用。與同類競爭產品相比，UCC28700器件不僅具有更好的性能，而且所需的VDD電容器容量更小?？蛻艨赡苡龅竭^UCC28700器件無法啟動恒流滿負載、但可啟動電阻滿負載的情況。其真正的原因是VDD電容器的值不夠，而且初級峰值電流設計得太小。本文將探討初級峰值電流和VDD電容器的設計，并將用實驗結果驗證理論分析。

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)一次側穩(wěn)壓。圖1是UCC28700的應用電路。

圖1：UCC28700應用電路

在圖1中：

RSTR 是高電壓啟動電阻;

CDD 是 VDD 引腳上的蓄能電容器;

RS1 是高側反饋電阻;

RS2 是低側反饋電阻;

RCBC 是可編程線纜補償電阻;

RCS 是初級峰值電流編程電阻;

RLC 是 MOSFET 關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是最低目標轉換器輸出電壓，它會讓輔助匝電壓等于 VDD引腳上的UVLO關斷電壓。

圖2：UCC28700二次側電路

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)。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

其中：

VDD(off)是UVLO關斷電壓。

VDD(on)是UVLO開啟電壓。

Irun是UCC28700工作時VDD引腳上的電源電流。

VDD是CDD電壓。

ΔVDD是CDD上降低的電壓。

ta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。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。該關系如等式6所示。

(6)

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也應該選擇較大值，同時還必須為VDD提供電壓裕度。

[page]

3.設計

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器件會進入恒流調節(jié)狀態(tài)，保持0.425的恒定二次二極管導通占空比。

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

(7)

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和柵極驅動電流放電。如果 VDD低于VDD(off)，UCC28700器件就會關斷。為確保器件順利啟動，在ta內VDD必須大于VDD(off)。在等式8和等式9中，應用了一個臨界條件。Tstart是VO從0上升至VOCC的時間。等式2是VOCC和VDD(off)的關系。在等式8 中，有1mA的估計柵極驅動電流，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。

(8)

(9)

(10)

如表1所示，UCC28700器件有更好的恒流(CC)調整性能，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品中，UCC28700器件是設計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，因此在設計中需要較小的CDD。