深入剖析 UCC24610EVM - 563：5V、25W 反激式转换器的卓越性能

在电子工程师的日常工作中，寻找高效、可靠的电源解决方案是一项持续的挑战。今天，我们将深入探讨德州仪器（Texas Instruments）的 UCC24610EVM - 563 评估模块，这是一款 5V、25W 的反激式转换器，具备二次侧同步整流功能，在电源设计领域展现出了卓越的性能表现。

文件下载：UCC24610EVM-563.pdf

概述

UCC24610EVM - 563 能够提供最大 5A 的负载电流和 5V 的输出电压，可在通用交流输入下工作。其一次侧由 UCC28610 绿色模式反激式控制器控制，采用级联架构，无需外部感测电阻即可实现完全集成的电流控制。二次侧同步整流则由 UCC24610 GREEN Rectifier™ 控制器控制，通过感应同步整流 MOSFET 的漏源电压来驱动栅极信号。这种创新的设计方法在效率、可靠性和系统成本方面相较于传统反激式转换器都有显著提升。

应用与特性

应用场景

UCC24610 适用于需要高效率和先进故障保护功能的隔离离线系统，如 5V 交直流适配器、5V 辅助偏置电源以及低压整流电路等。这些应用场景对电源的稳定性和效率要求较高，而 UCC24610EVM - 563 正好能够满足这些需求。

特性亮点

• 隔离输出：提供隔离的 5V、25W 输出，确保了电源的安全性和稳定性。
• 宽输入电压范围：支持通用离线输入电压范围，能够适应不同地区的电网电压。
• 高效节能：超过 Energy Star™ EPS 版本 2.0 的要求，在有源负载和空载功耗方面表现出色。
• 多工作模式：具备多种工作模式，可在整个工作范围内实现最佳效率。
• 自动轻载管理：能够根据负载情况自动调整工作模式，提高能源利用率。
• 输出短路保护：有效保护电路免受短路故障的影响，增强了系统的可靠性。
• 效率提升：相较于传统输出二极管应用，效率得到了显著提高。

电气性能规格

UCC24610EVM - 563 的电气性能规格涵盖了输入特性、输出特性、系统特性等多个方面。以下是一些关键参数：	参数	最小值	典型值	最大值	单位
输入电压	85	-	265	VRMS
输入电流（VIN = 115 VRMS，IOUT = 5 A）	-	0.6	-	A
输入电流（VIN = 115 VRMS，IOUT = 0 A）	-	0.03	-	A
输出电压	4.5	5	5.6	V
输出电压纹波（VIN = 115 VRMS，IOUT = 5 A）	-	-	200	mVpp
输出电流	0	-	5	A
输出过流起始点（VIN = 115 VRMS）	-	-	7	A
输出过压保护	-	-	6.5	V
开关频率	26.3	-	140.4	kHz
峰值效率（VIN = 115 VRMS，IOUT = 1.75 A）	-	82.7%	-	-
平均效率（VIN = 115 VRMS，不同负载）	-	82.3%	-	-
平均效率（VIN = 230 VRMS，不同负载）	-	82.3%	-	-
空载功耗（VIN = 115 VRMS）	-	181	-	mW
空载功耗（VIN = 230 VRMS）	-	368	-	mW
工作温度范围	-	-	-	25	°C

这些参数为工程师在设计电源系统时提供了重要的参考依据，确保系统能够在各种工作条件下稳定运行。

电路描述

功率级组成

该转换器的功率级由二极管桥 D1、输入电容 C5、变压器 T1、高压 MOSFET Q2、UCC28610 控制器 U3、同步整流 MOSFET Q1 以及输出电容 C8、C9 和 C10 组成。其中，UCC28610 U3 是功率级的一部分，因为其 DRV 和 GND 引脚承载着转换器的全峰值一次侧电流。

关键元件作用

• UCC24610 控制器 U1：驱动同步整流 MOSFET Q1，通过感应 Q1 的漏源电压来控制其导通和关断。
• 电阻 R11 和 R12：分别设置 Q1 的最小关断时间和最小导通时间，避免因谐振振铃而误触发。
• 电阻 R9：阻尼 Q1 栅极的谐振振铃，确保信号的稳定性。
• 电阻 R5 和 R8：用于减少从 VD 引脚汲取的电流，并调整 Q1 的导通时间。
• 电容 C6、C7 和 C12：过滤输入和输出电容两端的高频噪声。
• 输入 EMI 滤波器：由 X2 电容 C3 和 C4 以及共模电感 L1 组成，有效抑制电磁干扰。
• 过流保护：通过慢熔保险丝 F1 提供过流保护，防止电路因过流而损坏。
• 一次侧电压钳位：由电阻 R1、电容 C1 和二极管 D2 组成，防止 Q2 的漏极电压超过其最大额定值。
• 集成缓冲器：由 R2 和 C1 组成，减少一次侧绕组的振铃，避免误触发 UCC24610 栅极驱动的轻载关断点。
• 启动偏置电流：电阻 R4、R6 和 R7 为 U3 的 VGG 并联稳压器提供启动偏置电流。
• 工作偏置：由 T1 的辅助绕组、二极管 D3 和大容量电容 C16 为 UCC28610 控制器提供工作偏置。
• 一次侧开关栅极驱动电路：由栅极驱动电阻 R13、电阻 R14 和二极管 D4 组成，确保开关的正常工作。
• 去耦电容：电容 C17、C18 和 C13 为控制器提供去耦功能，提高电路的稳定性。
• 共模噪声过滤：电容 C2 过滤一次侧和二次侧之间的共模噪声。
• 输出电压纹波抑制：电感 L2 和电容 C11 共同作用，减少输出电压纹波。
• 过压阈值编程：电阻 R19 和 R21 用于编程过压阈值。
• 最大导通时间编程：电阻 R23 编程一次侧高压 MOSFET 的最大导通时间。
• 峰值一次电流设置：电阻 R22 设置峰值一次电流的最大值。
• 信号滤波：电阻 R18 和电容 C14 为 U3 的 FB 信号提供滤波功能，电阻 R20 确保光耦合器发射极电流可以为 0A。
• 输出电压调节：由二极管 D6、电阻 R15 和 R17 以及光耦合器 U2 实现输出电压的调节。

测试设置与步骤

测试设备

为了准确评估 UCC24610EVM - 563 的性能，需要使用以下测试设备：

• 交流输入源：提供 85 VRMS 至 265 VRMS 的隔离可变交流电源，功率不低于 30W。
• 负载：可编程电子负载，能够在 5V DC 下吸收 0 至 5A DC 的电流。
• 功率计：能够测量低输入电流，具备长平均模式，如 Voltech PM100 单相功率分析仪。
• 万用表：用于测量输出电压和负载电流。
• 示波器：推荐使用 500 - MHz 示波器探头。
• 风扇：无需强制风冷。
• 导线规格：建议使用至少 AWG18 的导线，连接长度不超过两英尺。

测试步骤

上电

1. 按照用户指南第 5 节的要求设置 EVM。
2. 若要进行空载输入功率测量，将功率分析仪设置为长平均和外部分流模式，并插入 10 - Ω 分流电阻。
3. 对于带负载运行，将电子负载设置为恒流模式，初始电流为 0A。
4. 在打开交流电源之前，将电压设置在 85 VAC 至 265 VAC 之间。
5. 打开交流电源，监测 DMM V1 上的输出电压和 DMM A1 上的输出电流。

空载功耗测试

1. 使用第 5 节所述的测试设置，将功率分析仪设置为外部分流模式，并设置适当的电流比例因子。
2. 按照第 6.1 节的步骤为 EVM 上电。
3. 在改变输入电压的同时，监测功率分析仪上的输入功率。
4. 在处理 EVM 之前，确保输入电源关闭，大容量电容和输出电容完全放电。

输出电压调节和效率测试

1. 负载调节：使用图 3 所示的测试设置，移除功率分析仪的外部分流电阻，将分析仪设置为正常模式。将交流电源设置为恒定电压，为 EVM 上电，将负载电流从 0A 变化到 5A，观察 DMM V1 上的输出电压是否保持在 5V 的±15% 范围内。
2. 线路调节：将负载设置为吸收 5A 电流，将交流电源从 85 VAC 变化到 265 VAC，观察输出电压是否保持在 5V 的±15% 范围内。
3. 在处理 EVM 之前，确保输入电源关闭，大容量电容和输出电容完全放电。

输出电压纹波测试

1. 暴露示波器探头的接地桶，将探头尖端插入 EVM 的 Vout + 焊盘上的镀通孔，使接地桶靠在 Vout - 焊盘的测试点上进行测量。
2. 按照第 6.1 节的步骤为 EVM 上电。
3. 在示波器上监测输出电压纹波。

设备关机

1. 确保负载电流最大为 5A，以快速放电输出电容。
2. 关闭交流电源。

典型特性曲线与性能数据

典型特性曲线

通过一系列典型特性曲线，我们可以直观地了解 UCC24610EVM - 563 在不同负载和输入电压下的性能表现。这些曲线包括效率与负载电流和输入电压的关系、空载输入功率与输入电压的关系、平均开关频率与负载电流的关系、输出电压与负载电流和线电压的关系以及增益相位波特图等。

性能数据

性能数据展示了在不同输入电压和负载条件下的波形和电流情况，如一次侧波形、一次和二次侧电流、二次侧波形、输出电压纹波等。这些数据为工程师提供了实际应用中的参考，帮助他们更好地理解和优化电路设计。

装配图与 PCB 布局

文档中提供了 UCC24610EVM - 563 的装配图和 PCB 布局图，包括顶层装配、底层装配、顶层丝印、底层丝印、各层铜箔等，为工程师进行硬件设计和组装提供了详细的指导。

材料清单

详细的材料清单列出了 UCC24610EVM - 563 所需的所有元件，包括电容、电阻、二极管、MOSFET、变压器、控制器、光耦合器等，以及它们的型号、制造商和数量。这为工程师进行元件采购和电路搭建提供了便利。

注意事项

在使用 UCC24610EVM - 563 时，需要注意以下几点：

• 安全问题：评估模块在通电时存在高电压，操作时必须采取适当的安全措施。在处理 EVM 之前，必须确保大容量电容 C5 完全放电。
• 输入输出范围：确保在规定的输入电压范围（85 VAC 至 265 VAC）和输出电压范围（5V）内使用，避免超出范围导致意外操作或损坏。
• 温度问题：正常运行时，某些电路元件的外壳温度可能超过 50°C，操作时应注意避免烫伤。

UCC24610EVM - 563 是一款性能卓越的 5V、25W 反激式转换器，具备高效、可靠、节能等优点。通过深入了解其应用、特性、电气性能规格、电路设计、测试方法以及注意事项，电子工程师可以更好地利用这款评估模块进行电源设计，满足各种实际应用的需求。你在使用类似电源模块时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。