探索UCC33420：超小型、高效能工業(yè)DC/DC模塊的卓越之旅

在工業(yè)電子設計領域，DC/DC模塊的性能和可靠性對整個系統(tǒng)至關重要。今天，我們將深入探討德州儀器（Texas Instruments）的UCC33420，一款超小型、1.5W、5.0V、3kVRMS隔離的工業(yè)DC/DC模塊，看看它如何在眾多應用中脫穎而出。

文件下載：ucc33420.pdf

一、UCC33420核心特性剖析

1. 功率與電壓特性

UCC33420具備1.5W的最大輸出功率，輸入電壓工作范圍為4.5V至5.5V，輸出電壓可在5.0V和5.5V之間選擇。當輸出為5.0V時，可提供高達300mA的負載電流，典型負載調(diào)整率僅為0.5%，典型線性調(diào)整率為4mV/V，這確保了在不同負載和輸入電壓條件下，輸出電壓的穩(wěn)定性。

2. 強大的隔離屏障

該模塊擁有堅固的隔離屏障，隔離等級達到3kVRMS，浪涌能力為6.5kVPK，工作電壓為1159VPK，還具備200V/ns的共模瞬態(tài)抗擾度。這使得它能夠在復雜的工業(yè)環(huán)境中有效隔離不同電路，減少干擾，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

3. 集成技術與調(diào)制方式

采用集成變壓器技術，實現(xiàn)了功率密度高的隔離式DC/DC模塊設計。同時，運用自適應擴頻調(diào)制（SSM）技術，不僅降低了電磁干擾（EMI），還能滿足CISPR - 32 Class B發(fā)射標準，在電磁兼容性方面表現(xiàn)出色。

4. 全面的保護功能

具備過載和短路保護、熱關斷、低浪涌電流軟啟動等功能。此外，還有一個帶有故障報告機制的使能引腳，一旦出現(xiàn)故障，能夠及時向系統(tǒng)發(fā)出警報，提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性。

5. 廣泛的認證規(guī)劃與溫度范圍

計劃獲得DIN EN IEC 60747 - 17（VDE 0884 - 17）、UL 1577 / CSA組件認證計劃、IEC 62368 - 1和IEC 60601 - 1等安全相關認證。工作溫度范圍為 - 40°C至125°C，能夠適應各種惡劣的工業(yè)環(huán)境。

6. 小巧的封裝設計

采用VSON - 12（4.00mm × 5.00mm）封裝，體積小巧，適合對空間要求較高的應用場景，為工程師提供了更靈活的設計選擇。

二、應用領域拓展

UCC33420的特性使其在多個領域都有廣泛的應用：

1. 工廠自動化PLC模塊

在工廠自動化系統(tǒng)中，PLC模塊需要穩(wěn)定可靠的電源供應。UCC33420的高功率密度和良好的隔離性能，能夠為PLC模塊提供穩(wěn)定的電源，確保其在復雜的工業(yè)環(huán)境中正常運行。

2. 電動汽車充電基礎設施

在電動汽車充電領域，對電源的安全性和可靠性要求極高。UCC33420的隔離屏障和全面的保護功能，能夠滿足充電設備對電源的嚴格要求，保障充電過程的安全穩(wěn)定。

3. 為多種器件提供隔離偏置電源

可為E - mode GaN、數(shù)字隔離器、RS - 485、RS - 422和CAN等提供隔離偏置電源，確保這些器件在工作時不受外界干擾，提高系統(tǒng)的整體性能。

三、詳細技術解讀

1. 內(nèi)部結構與工作原理

UCC33420集成了高效、低排放的隔離式DC/DC轉換器。VINP電源提供給初級功率控制器，該控制器切換連接到集成變壓器的功率級。功率通過變壓器傳輸?shù)酱渭墏?，?jīng)過整流和調(diào)節(jié)，使用快速滯后突發(fā)模式控制方案來監(jiān)控VCC，確保在正常和瞬態(tài)負載情況下都能將其保持在滯環(huán)帶內(nèi)，同時在所有負載條件下保持高效運行。

2. 引腳功能與配置

3. 關鍵特性詳細說明

使能與禁用

通過將EN/FLT引腳拉低可禁用設備，大大降低VINP功耗；拉高該引腳則啟用正常功能。在噪聲較大的系統(tǒng)中，不建議讓該引腳浮空，因為它有一個弱內(nèi)部下拉電阻。

輸出電壓軟啟動

UCC33420具有軟啟動機制，確保輸出電壓平穩(wěn)快速啟動，同時將輸入浪涌電流降至最低。在軟啟動過程中，初級占空比采用開環(huán)控制，功率級以固定突發(fā)頻率和遞增的占空比運行，直到次級側VCC電壓超過2.7V閾值。如果在16ms的軟啟動超時時間內(nèi)，VCC未能達到穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)閾值，設備將關閉并通過EN/FLT引腳報告故障，之后會嘗試自動重啟。

輸出電壓穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)

采用滯后控制來調(diào)節(jié)輸出電壓，使其保持在上下滯環(huán)帶之間。在穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)過程中，突發(fā)頻率會根據(jù)輸出電容和負載條件而變化，輕載時效率更高。如果突發(fā)導通時間超過13μs的典型值，設備將進入過功率保護模式。

保護特性

• 輸入欠壓和過壓鎖定：當輸入電壓超出4.5V至5.5V的范圍時，轉換器停止切換，設備關閉；當輸入電壓恢復正常范圍時，設備立即恢復切換。
• 輸出欠壓保護：當VCC出現(xiàn)過載或短路，導致電壓低于0.9×VCC時，轉換器進入占空比限制模式，經(jīng)過一定的去毛刺時間后關閉，然后嘗試在160ms后自動重啟。
• 輸出過壓保護：當VCC電壓超過過壓保護閾值時，OV_CLAMP電路確保輸出電壓在絕對最大工作條件內(nèi)，轉換器進入占空比限制模式，經(jīng)過去毛刺時間后關閉，同樣在160ms后嘗試自動重啟。
• 過溫保護：對初級側和次級側功率級的溫度進行監(jiān)測，當溫度超過過溫保護閾值時，模塊進入過溫保護模式，停止切換，報告故障并在160ms后嘗試自動重啟。
• 故障報告和自動重啟：通過EN/FLT引腳實現(xiàn)故障報告功能，當出現(xiàn)輸入過壓、過溫或輸出欠壓等故障導致設備關閉時，該引腳會被拉低200μs。設備還具備自動重啟特性，在故障發(fā)生后，經(jīng)過160ms的定時器，會嘗試新的軟啟動序列。

四、應用設計要點

1. 設計要求

設計使用UCC33420時，需要考慮以下參數(shù)：

• 輸入電源電壓（VINP）：4.5V至5.5V
• VINP和GNDP之間的第一去耦電容：15nF，50V，±10%，X7R
• VINP和GNDP之間的第二去耦電容：10μF，10V，X7R
• VCC和GNDS之間的第一去耦電容：15nF，50V，±10%，X7R
• VCC和GNDS之間的第二去耦電容：22μF，10V，X7R
• EN/FLT引腳用于故障報告的電阻：18kΩ

2. 詳細設計步驟

UCC33420的設計過程相對簡單，只需在VINP和GNDP引腳之間連接兩個去耦電容，在VCC和GNDS引腳之間連接兩個去耦電容，即可形成一個完整的DC/DC轉換器。建議使用低ESR、ESL的陶瓷電容，并將其靠近設備引腳放置。需要注意的是，所選的VCC輸出電容會影響有效突發(fā)頻率。

3. 電源供應建議

推薦的輸入電源電壓（VINP）為4.5V至5.5V。為確?？煽窟\行，應在電源引腳附近放置足夠的去耦電容。在輸入側，在VINP和GNDP引腳之間放置局部旁路電容；在隔離輸出電源側，在VCC和GNDS之間放置電容。輸入電源應具有適當?shù)碾娏黝~定值，以支持最終應用所需的輸出負載。

4. PCB布局指南

• 電容放置：將去耦電容盡可能靠近設備引腳放置。對于輸入電源，在引腳2（VINP）和引腳3、4、5、6（GNDP）之間放置0402和0805陶瓷電容；對于隔離輸出電源，在引腳8（VCC）和引腳9、10、11、12（GNDS）之間放置。
• 散熱設計：由于設備沒有散熱焊盤，通過GND引腳散熱。因此，應確保所有GNDP和GNDS引腳有足夠的銅（最好連接到接地平面），并在靠近設備引腳且遠離陶瓷電容與設備引腳之間的高頻路徑處放置過孔，以提高散熱性能。
• 引腳連接：如果空間和層數(shù)允許，建議通過多個適當尺寸的過孔將VINP、GNDP、VCC和GNDS引腳連接到內(nèi)部接地或電源平面；否則，應盡量加寬這些網(wǎng)絡的走線，以減少損耗。
• 隔離間距：注意PCB外層初級接地平面（GNDP）和次級接地平面（GNDS）之間的間距，避免因間距過小而降低系統(tǒng)的有效爬電距離和電氣間隙。
• 避免干擾：為確保初級和次級之間的隔離性能，避免在UCC33420設備下方的外層銅層上放置任何PCB走線或銅。

五、總結與展望

UCC33420以其超小型封裝、高效能、強大的隔離性能和全面的保護功能，為工業(yè)電子設計提供了一個優(yōu)秀的DC/DC模塊解決方案。它適用于多種對空間、性能和可靠性要求較高的應用場景。作為電子工程師，在實際設計中，我們需要充分了解其特性和設計要點，合理運用該模塊，以實現(xiàn)系統(tǒng)的最佳性能。同時，隨著工業(yè)技術的不斷發(fā)展，相信德州儀器會推出更多類似高性能、高集成度的產(chǎn)品，為電子行業(yè)帶來更多的創(chuàng)新和突破。大家在使用UCC33420的過程中，有沒有遇到什么有趣的問題或者獨特的應用案例呢？歡迎在評論區(qū)分享。