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一次側穩壓。圖 1 是 UCC28700 的應用電路。

圖 1：UCC28700 應用電路

在圖 1 中：

lR_STR 是高電壓啟動電阻；

lC_DD 是 V_DD 引腳上的蓄能電容器；

lR_S1 是高側反饋電阻；

lR_S2 是低側反饋電阻；

lR_CBC 是可編程線纜補償電阻；

lR_CS 是初級峰值電流編程電阻；

lR_LC 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，I_S=I_C+I_L。如果在啟動開始時 UCC28700 器件的負載是電阻，則 V_O 會從零上升，而且 I_L 已經足夠低了，無需高 I_s。但如果該器件的負載是恒流，而且負載電流較大，就需要高 I_S 來使 I_C 保持為正，以縮短輸出電壓從 0 上升到 V_OCC 所需的時間。V_OCC 是最低目標轉換器輸出電壓，它會讓輔助匝電壓等于 V_DD引腳上的 UVLO 關斷電壓。

圖 2：UCC28700 二次側電路

對于 C_DD、C_O 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：N_P 是變壓器的一次匝數，N_S 是二次匝數，N_A 是輔助匝數。

其中：

lV_DD(off) 是 UVLO 關斷電壓。

lV_DD(on) 是 UVLO 開啟電壓。

lI_run 是 UCC28700 工作時 V_DD 引腳上的電源電流。

lV_DD 是 C_DD 電壓。

lΔV_DD 是 C_DD 上降低的電壓。

lt_a 是輸出電壓從 0 上升到 V_OCC 時所用的時間。

     根據上述等式，如果 I_S值為低，I_C 就將為小，因此輸出電壓上升到 V_OCC 所需的時間 t_a 就會較長。但在這段時間里，V_DD可能會下降至 V_DD(off)以下，而且 UCC28700 器件可能會進入 UVLO 狀態，停止開關。隨后通過 R_STR 的電流可為 C_DD 充電。在 V_DD比 V_DD(on)高時，該器件會重新啟動。盡管故障啟動會繼續，但 UCC28700 器件無法進入正常狀態。

    在等式 4 中，如果 C_DD 足夠大，ΔV_DD 對于特定 t_a而言將為小。因此，大容量 C_DD 值和高初級峰值電流會讓 UCC28700 順利啟動。但是，大容量 C_DD 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 C_DD 和初級峰值電流需要進行權衡。

    在正常工作中，V_DD 由輔助繞組電壓決定。如果 V_O 達到其最大值，V_DD 也會達到其最大值。該關系如等式 6 所示。

    從等式 2、3 和 6 可以看出，如果 N_A 增大，t_a 就會減少，這將有利于 UCC28700 的啟動。因此 N_A 也應該選擇較大值，同時還必須為 V_DD 提供電壓裕度。

3.設計

    除 C_DD 和 R_CS 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]。I_S可使用等式 7 計算，這里 η_XFMR 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 I_PP 出現在啟動開始的時候，隨即 UCC28700 器件會進入恒流調節狀態，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

    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 (I_S-I_L)，如等式 1 所示。在 V_O 上升至 V_OCC 之前，輔助匝電壓低于 V_DD，此時 C_DD 無法通過輔助匝充電。但在此期間，C_DD 會被 I_run 和柵極驅動電流放電。如果 V_DD 低于 V_DD(off)，UCC28700 器件就會關斷。為確保器件順利啟動，在 t_a 內 V_DD 必須大于 V_DD(off)。在等式 8 和等式 9 中，應用了一個臨界條件。T_start 是 V_O 從 0 上升至 V_OCC 的時間。等式 2 是 V_OCC 和 V_DD(off) 的關系。在等式 8 中，有 1mA 的估計柵極驅動電流，而且為 V_DD 添加了 1V 的裕度。V_CST 是芯片選擇閾值電壓。在啟動開始時，UCC28700 V_S 引腳上的電壓為低，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) 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 V_DD，可縮小 V_DD 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 N_A/N_S，因為根據等式 2，它具有更高的最大 V_DD，可實現更短的 t_start（見等式 9）。在等式 8 中，t_start 與 C_DD 成正比，因此在設計中需要較小的 C_DD。

表 1：參數比較表

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 C_DD 和 R_CS 外，所有器件值均保持不變，C_DD=4.7μF、R_CS=1.8Ω。負載為恒定電流 1A。

     圖 4 是 UCC28700 的啟動波形，CH1 是 MOSFET 柵極驅動信號，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，t_start 接近 18ms，與計算結果吻合。

圖 4：UCC28700 啟動波形

圖 5、圖 6 和圖 7 是比較性實驗。CH1 是 V_DD 電壓，CH3 是輸出電壓。

l在圖 5 中，C_DD=4.7μF，R_CS=2.05Ω：由于初級峰值電流不夠大，V_DD 下降到 V_DD(off) 之下，因此 UCC28700 器件無法啟動。

l在圖 6 中，C_DD=4.7μF，R_CS=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，C_DD=4.7μF，R_CS=2.05Ω：UCC28700 器件無法啟動，因為 C_DD 的容量不足以提供足夠的能量。

實驗結果說明，大初級峰值電流和大容量 C_DD 都能讓 UCC28700 在恒流滿負載下成功啟動。這些結果印證了上述分析。

圖 5：C_DD=4.7μF，RCS=2.05Ω 時的 UCC28700 啟動波形

圖 6：C_DD=4.7μF，RCS=1.8Ω 時的UCC28700 啟動波形

圖 7：C_DD=1μF，RCS=1.8Ω 時的UCC28700 啟動波形

5.結論

    比較結果說明，UCC28700 器件在 CV 及 CC 調節、解決方案尺寸、待機功耗和 V_DD 電容器值方面具有更優異的特性。在本研究過程中，我們對初級峰值電流和 V_DD 電容器進行了分析計算。隨后根據等式選擇了適當的參數，然后通過實驗結果驗證了該分析。

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]《支持一次側穩壓的恒壓恒流控制器》。德州儀器 UCC2870x 產品說明書，SLUSB41，2012 年 7 月。