UCC28610EVM - 474：25W通用离线反激式转换器的详细解析

在电子工程领域，电源转换器的设计和应用至关重要。今天，我们将深入探讨德州仪器（TI）的UCC28610EVM - 474评估模块，这是一款25W的离线不连续模式（DCM）反激式转换器，能为我们的设计带来高效、可靠的电源解决方案。

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一、UCC28610EVM - 474概述

UCC28610EVM - 474评估模块可在通用交流输入下工作，提供12V电压和最大2.1A的负载电流。它采用UCC28610绿色模式反激控制器，这种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，并且在整个工作范围内保持不连续模式运行，相比传统反激式转换器，在效率、可靠性和系统成本方面都有显著提升。

二、应用与特性

2.1 应用场景

UCC28610适用于需要高效和先进故障保护功能的隔离离线系统，如：

• 峰值功率输出为12W至65W的AC/DC适配器。
• 辅助电源和备用电源。
• 离线电池充电器。
• 消费电子产品，如DVD播放器、机顶盒、游戏机和打印机等。

2.2 特性亮点

• 隔离输出：提供25W、12V的隔离输出。
• 宽输入电压范围：支持85VAC至265VAC的通用离线输入电压范围，且在有源负载效率和空载功耗方面超过了Energy Star™ EPS版本2.0的要求。
• 集成电流控制：级联配置允许在无外部感测电阻的情况下实现完全集成的电流控制。
• 多工作模式：具有多种工作模式，可在整个工作范围内实现最佳效率。
• 保护功能：具备过流保护、定时过载保护和无光电耦合器输出过载保护等功能。

三、电气性能规格

3.1 输入特性

• 输入电压（VIN）：范围为85VRMS至265VRMS。
• 输入电流（IIN）：在VIN = 115VRMS且I OUT = max时，典型值为0.3A；在VIN = 115VRMS且I OUT = 0A时，典型值为0.03A。
• 欠压锁定电压（VUVLO）：在I OUT = max时，典型值为72V。

3.2 输出特性

• 输出电压（VOUT）：在VIN从最小值到最大值、I OUT从最小值到最大值的范围内，输出电压在10.8V至13.2V之间。
• 输出电压纹波（Vripple）：在VIN = 115VRMS且I OUT = max时，典型值为80mVpp，最大值为120mVpp。
• 输出电流（I OUT）：范围为0A至2.1A。
• 输出过流起始点（IOCP）：在VIN = max时，典型值为3A。
• 输出过压保护（OVP）：在I OUT从最小值到最大值的范围内，最大值为16V。
• 瞬态响应电压过冲：在I OUT从最小值到最大值的范围内，典型值为500mV。

3.3 系统特性

• 开关频率（fSW）：范围为26.3kHz至140.4kHz。
• 峰值效率（hPEAK）：在VIN = 115VRMS且I OUT = 1.05A时，典型值为85.7%。
• 空载功耗：在VIN = 115VRMS时，典型值为67mW；在VIN = 230VRMS时，典型值为107mW。
• 工作温度范围：在VIN从最小值到最大值、I OUT从最小值到最大值的范围内，典型值为25°C。

3.4 机械特性

• 宽度：2.3英寸。
• 长度：3.5英寸。
• 高度：1英寸。

四、电路描述

4.1 功率级电路

由二极管桥D1、输入电容C9、变压器T1、HV MOSFET Q1、UCC28610控制器U1、肖特基整流器D6以及输出电容C15和C16组成。需要注意的是，UCC28610 U1是功率级的一部分，因为其DRV和GND引脚承载着转换器初级侧的全峰值电流。

4.2 滤波电路

• 电容C12、C14和C17用于过滤电解输入和输出电容两端的高频噪声。
• 输入EMI滤波器由X2电容C1和C6、共模电感L1以及Y2电容C4和C5组成。
• 电感L2与电容C16配合，可降低输出电压纹波。

4.3 保护与偏置电路

• 由电阻R11、电容C11和二极管D5组成的初级侧电压钳位电路，可防止HV MOSFET Q1的漏极电压超过其最大额定值。
• 由R12和C11组成的集成缓冲器可减少初级侧绕组上的振铃，避免误触发零电流检测电路。
• 电阻R7、R8和R9为VGG并联稳压器提供启动偏置电流，肖特基二极管D3在启动时为VDD提供初始启动电流。
• 控制器的工作偏置由变压器T1上的辅助绕组、二极管D2和大容量电容C7提供，齐纳二极管D4可确保VDD上的偏置电压在满载时不超过绝对最大额定值。

4.4 驱动与反馈电路

• 栅极驱动电路由栅极驱动电阻R10组成，用于在导通时阻尼振荡。电阻R16和二极管D8在关断时提供电流路径。
• 电容C8和C10为去耦电容，应选用低ESR/ESL的优质电容，并尽可能靠近器件引脚放置。
• 电容C13用于过滤初级和次级之间的共模噪声。
• 电阻R5和R3用于设置过压阈值，电容C3可用于为ZCD添加小延迟，使初级开关的导通时间与初级绕组的谐振谷对齐。
• 电阻R6用于设置HV MOSFET的最大导通时间，电阻R4用于设置初级峰值电流的最大值。
• 电阻R2和电容C2为FB信号提供滤波，电阻R1确保光耦合器发射极电流可降至0A，电阻R19可用于监测FB信号。
• 简单的输出电压反馈回路由齐纳二极管D7、电阻R14和R15以及光耦合器U2组成，使用低CTR的光耦合器可提供更好的抗噪性能，电阻R13可作为小信号频率响应测试的注入点。

五、EVM测试设置

5.1 测试设备

• 交流输入源：应是一个隔离的可变交流源，能够提供85VRMS至265VRMS的电压，功率不低于30W。为了准确计算效率，应在交流源的中性线和EVM的中性端子之间插入功率计，并将功率计的电压端子直接连接到EVM的线和中性端子上。
• 负载：使用可编程电子负载，设置为恒流模式，能够在12VDC下吸收0至3ADC的电流。为了获得最高精度，可使用直流电压表DMM V1直接监测VOUT，并使用直流电流表DMM A1串联在电子负载中测量输出电流。
• 功率计：应能够测量低输入电流（通常小于10mA），并具备长平均模式，以进行低功率待机模式下的输入功率测量。例如Voltech PM100单相功率分析仪。
• 万用表：使用两个数字万用表分别测量调节后的输出电压（DMM V1）和负载电流（DMM A1）。
• 示波器：推荐使用具有500MHz探头的数字或模拟示波器。
• 风扇：无需强制风冷。
• 推荐线规：建议使用至少AWG18的电线，且交流源与EVM之间以及EVM与负载之间的电线连接长度应小于两英尺。

5.2 测试设置

• 无负载运行：如图3所示，在测量空载输入功率时，需在EVM的中性端子串联一个10Ω的分流电阻，并将功率分析仪设置为长平均和外部分流模式。
• 有负载运行：如图4所示，将电子负载设置为恒流模式，吸收0A电流。

5.3 测试点列表

测试点	名称	描述
TP1	+Vout	EVM的输出电压，该标识未安装引脚，以便进行尖端和桶形输出纹波电压测量。
TP2	-Vout	EVM输出的返回端，次级侧接地参考。
TP3	Pwr RTN	初级侧电源接地。
TP4	QGND	初级侧信号接地。
TP5	+LOOP	环路注入点，EVM输出。
TP6	-LOOP	环路注入点。
J1 - 1	Neutral	交流源的中性输入。
J1 - 2	Earth	交流源的接地参考。
J1 - 3	AC Line	交流源的线路输入。
J2 - 1	+Vout	EVM到负载的正输出端子。
J2 - 2	-Vout	EVM输出到负载的返回连接。

六、测试程序

6.1 给EVM供电

1. 按照用户指南第5节的说明设置EVM。
   • 如果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，并在EVM的中性端子串联一个10Ω的分流电阻，设置功率分析仪的适当电流刻度。
   • 对于有负载运行，将电子负载设置为恒流模式，吸收0A电流。
2. 在打开交流源之前，将电压设置在85VAC至265VAC之间。
3. 打开交流源。
4. 使用DMM V1监测输出电压。
5. 使用DMM A1监测输出电流。
6. EVM现在可以进行测试。

6.2 空载功耗测试

1. 使用图3所示的测试设置。
   • 将功率分析仪设置为外部分流模式。
   • 设置功率分析仪使用外部分流的适当电流刻度因子，例如对于Voltech PM100，10Ω分流电阻的刻度为10,000mV/A。
   • 将功率分析仪的长平均时间设置为包含多个运行周期，对于Voltech PM100，应设置为10或更多以进行准确的突发模式测量。
2. 按照第6.1节的步骤给EVM供电。
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，确保输入功率关闭，并且大容量电容和输出电容完全放电。

6.3 输出电压调节和效率测试

负载调节

1. 使用图4所示的测试设置。
   • 确保从功率分析仪上移除外部分流电阻，并将分析仪设置为正常模式（非长平均）。
2. 将交流源设置为85VAC至265VAC之间的恒定电压。
3. 按照第6.1节的步骤给EVM供电。
4. 将负载电流从0A变化到2.1A，使用DMM A1测量。
5. 观察DMM V1上的输出电压保持在12VDC的±10%范围内。

线路调节

1. 将负载设置为吸收2.1A电流。
2. 将交流源从85VAC变化到265VAC。
3. 观察DMM V1上的输出电压保持在12VDC的±10%范围内。
4. 在处理EVM之前，确保输入功率关闭，并且大容量电容和输出电容完全放电。

6.4 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（TP1），并将探头倾斜，使暴露的接地桶靠在EVM的 - Vout焊盘上的测试点（TP2）上，进行尖端和桶形测量，如图5所示。
2. 按照第6.1节的步骤给EVM供电。
3. 使用示波器监测输出电压纹波。

6.5 设备关机

1. 确保负载处于最大值，以快速放电输出电容。
2. 关闭交流源。

七、性能数据和典型特性曲线

文档中提供了一系列典型性能曲线，如效率与负载电流、空载功耗与线电压、DRV电流与FB电流、开关频率与FB电流、输出电压与负载电流等关系曲线，这些曲线有助于我们更直观地了解UCC28610EVM - 474在不同工作条件下的性能表现。

八、EVM组装图和布局

文档展示了UCC28610EVM - 474印刷电路板的设计，包括顶层组件布局、底层布线和底层组件布局等，为工程师进行硬件设计和组装提供了详细的参考。

九、材料清单

详细列出了UCC28610EVM - 474所需的各种组件，包括电容、电阻、二极管、MOSFET、变压器、控制器和光耦合器等，以及它们的参数和制造商信息，方便工程师进行物料采购和电路搭建。

十、注意事项

10.1 安全注意事项

• 评估模块通电时存在高电压，操作时必须采取适当的预防措施，在处理EVM之前，必须完全放电大容量电容C9和输出电容C15、C16。
• 确保在操作EVM时遵循所有安全程序，不要让通电的EVM无人看管。

10.2 输入输出范围限制

• 必须在85VAC至265VAC的输入电压范围内和12V的输出电压下操作EVM，超出指定输入范围可能导致意外操作和/或对EVM造成不可逆转的损坏。
• 施加超出指定输出范围的负载可能导致意外操作和/或对EVM造成永久性损坏，在连接负载之前，请参考EVM用户指南，如有不确定，请联系TI现场代表。

10.3 温度注意事项

在正常操作期间，一些电路组件的外壳温度可能高于60°C，只要保持输入和输出范围，EVM设计可确保这些组件正常工作。在操作过程中，将测量探头靠近这些设备时，请注意它们可能会很烫。

UCC28610EVM - 474评估模块为工程师提供了一个高效、可靠的电源解决方案，通过深入了解其特性、性能和测试方法，我们可以更好地将其应用于实际设计中。希望本文能为电子工程师们在相关设计和应用中提供有价值的参考。你在使用UCC28610EVM - 474的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。