基于UCC2891的48V轉(zhuǎn)3.3V正激變換器設(shè)計與應(yīng)用

在電子設(shè)備的電源設(shè)計中，高效、穩(wěn)定的電源轉(zhuǎn)換是至關(guān)重要的。今天我們來深入探討一下基于UCC2891有源鉗位電流模式PWM控制器的48V轉(zhuǎn)3.3V正激變換器的設(shè)計與應(yīng)用。

文件下載：UCC2891EVM-520.pdf

一、UCC2891EVM - 520評估模塊簡介

UCC2891EVM - 520評估模塊是一款正激變換器，能夠在48V輸入下，提供3.3V的穩(wěn)壓輸出，負載電流可達30A。它可在36V至75V的電信輸入范圍內(nèi)工作，甚至能在零負載電流下實現(xiàn)完全穩(wěn)壓。該模塊采用UCC2891電流模式有源鉗位PWM控制器，有效展示了有源鉗位變壓器復(fù)位技術(shù)。

有源鉗位技術(shù)帶來了諸多好處，比如控制驅(qū)動的變壓器復(fù)位方案可實現(xiàn)零電壓開關(guān)（ZVS），提高整體效率；降低漏源電壓應(yīng)力；擴展占空比超過50%；減少電磁輻射干擾。結(jié)合同步整流技術(shù)，該評估模塊工作頻率為300kHz，峰值效率略超過92%，滿載效率達90%。此外，模塊還具備輸出有源電流限制功能，但在短路或過載情況下，需在元件熱限制超出前關(guān)閉設(shè)備。

二、UCC2891控制器特性

（一）先進的控制特性

UCC2891控制器家族具備多種先進的有源鉗位控制特性。它支持可編程最大占空比鉗位、可編程兩個初級開關(guān)之間的死區(qū)時間，還能驅(qū)動P溝道或N溝道MOSFET，適用于高端或低端有源鉗位配置。而且，它可以直接從48V電信總線電壓啟動，無需外部啟動電路。

（二）豐富的功能集成

評估模塊集成了可編程軟啟動、用于峰值電流模式控制的內(nèi)部斜率補償、內(nèi)部低線電壓檢測、內(nèi)部可同步時鐘輸入、逐周期電流限制以及強大的2A灌/拉TrueDrive?內(nèi)部柵極驅(qū)動電路。這些功能使得設(shè)計高效且所需外部元件極少。

（三）獨特的輸出架構(gòu)

UCC2891采用的TrueDrive?混合輸出架構(gòu)，使用了TI獨特的TrueDrive BipolarCMOS輸出。對于用戶而言，TrueDrive意味著在MOSFET米勒平臺區(qū)域提供盡可能高的驅(qū)動電流，實現(xiàn)超快的上升和下降時間。

（四）封裝形式

UCC2891/2/3/4有16引腳SOIC或16引腳TSSOP封裝，適用于對電路板空間要求極高的應(yīng)用。

三、應(yīng)用場景與特性

（一）應(yīng)用場景

UCC2891適用于隔離式電信48V輸入系統(tǒng)，這些系統(tǒng)要求高效率和高功率密度，用于極低輸出電壓、大電流轉(zhuǎn)換應(yīng)用，如服務(wù)器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信、電信、DSP、ASIC和FPGA等。

（二）評估模塊特性

UCC2891EVM - 520評估模塊具有以下特性：

1. ZVS變壓器復(fù)位：在正激變換器中采用有源鉗位技術(shù)實現(xiàn)ZVS變壓器復(fù)位。
2. 表面貼裝元件：所有元件均為表面貼裝，采用雙面半磚（2.2 × 2.28 × 0.5）英寸設(shè)計。
3. 互補輔助驅(qū)動：為有源鉗位提供互補輔助驅(qū)動，可編程死區(qū)時間以實現(xiàn)ZVS。
4. 電流模式控制：具備同步功能的電流模式控制。
5. 內(nèi)部PWM斜率補償：提供內(nèi)部PWM斜率補償。
6. 直接啟動：可直接從電信輸入電壓啟動。
7. 同步整流輸出級：同步整流輸出級實現(xiàn)高效運行。
8. 可編程軟啟動：支持可編程軟啟動。
9. 大電流輸出：直流輸出電流可達30A。
10. 零負載穩(wěn)壓：可實現(xiàn)零負載電流下的穩(wěn)壓。
11. 非鎖存保護：具備非鎖存輸出電流限制和非鎖存輸入欠壓保護。
12. 隔離設(shè)計：初級到次級具有1500V隔離。

四、電氣性能規(guī)格

從這些規(guī)格中，我們可以清晰地了解到該評估模塊在不同條件下的性能表現(xiàn)，為實際應(yīng)用提供了重要的參考依據(jù)。

五、電路原理圖分析

（一）初級側(cè)電路

UCC2891EVM - 520的原理圖中，終端塊J1是48V輸入電壓源連接器，J8是3.3V輸出電壓的輸出和返回端。在初級側(cè)，U1是UCC2891，搭配必要的分立電路，使控制器以300kHz運行，最大占空比鉗位設(shè)置為0.65。評估模塊通過R11和R12編程為在VIN = 36V時啟動。為了減少電流檢測中的功率損耗，使用了電流檢測變壓器T1，而非在Q2源極和功率地之間使用簡單的檢測電阻。Q2是初級開關(guān)MOSFET，根據(jù)VDS和低RDS(on)選擇；Q1是AUX（有源復(fù)位）MOSFET，主要根據(jù)封裝選擇，對RDS(on)和Qg考慮較少。由于該設(shè)計采用低端有源鉗位，Q1必須是P溝道MOSFET。C9是鉗位電容，用于維持恒定的直流電壓，在有源鉗位期間，通過從鉗位電壓中減去輸入電壓來實現(xiàn)變壓器復(fù)位。

（二）次級側(cè)電路

在次級側(cè)，采用自驅(qū)動同步整流技術(shù)實現(xiàn)高效運行。Q3和Q4并聯(lián)組成正向同步整流器（SR），反向SR由Q5、Q7和Q8并聯(lián)組成。由于占空比接近60%，反向SR中的MOSFET在續(xù)流模式下承載的平均電流比Q3和Q4更高。輸出電感L1有一個耦合次級，參考初級側(cè)，用于為U1提供自舉電壓。由D6、Q6和相關(guān)濾波電路組成的串聯(lián)穩(wěn)壓調(diào)節(jié)器為光耦合器U2提供穩(wěn)定的偏置。

（三）測試接口

原理圖中還設(shè)置了多個測試接口。示波器插孔J2和J3可用于測量初級MOSFET Q2的柵源和漏源信號；J4和J5方便訪問次級側(cè)每個SR的柵極驅(qū)動信號；J6和J7可用于連接網(wǎng)絡(luò)分析儀，非侵入式地測量控制到輸出的環(huán)路增益和相位。

六、測試設(shè)置

（一）輸出負載

對于輸出負載，使用可編程電子負載，設(shè)置為恒流模式，能夠吸收0A至30A的直流電流。建議使用直流電壓表V2直接在J9和J10引腳測量輸出電壓，以避免因負載無遠程感測功能而導(dǎo)致的電壓測量誤差。

（二）直流輸入源

輸入電壓由可變直流源提供，能夠在0V至72V之間輸出，電流不小于3.5A，并連接到J1和A1。為保護評估模塊，在36V輸入時，將源電流限制在不超過4A是常見的做法。同時，在VIN和J1之間插入直流電流表A1。

（三）網(wǎng)絡(luò)分析儀

網(wǎng)絡(luò)分析儀直接連接到J6和J7，評估模塊在輸出和電壓反饋之間提供了一個51.1Ω的電阻（R25），便于非侵入式測量控制到輸出的環(huán)路響應(yīng)。

（四）輸出紋波測量

使用示波器探頭通過示波器插孔J13測量輸出紋波，將示波器設(shè)置為交流耦合，幅度分辨率為50mV/div，時間分辨率為2μs/div，帶寬限制為20MHz。

（五）推薦線規(guī)

連接源電壓VIN和評估模塊J1的導(dǎo)線需承載高達3.25A的直流電流，建議使用最小線徑為AWG #20的導(dǎo)線，總長度小于8英尺（輸入4英尺，返回4英尺）。連接評估模塊J8和負載LOAD1的導(dǎo)線需承載高達30A的直流電流，建議使用最小線徑為AWG #16的導(dǎo)線，總長度小于8英尺（輸出4英尺，返回4英尺）。

（六）風(fēng)扇

由于大多數(shù)功率轉(zhuǎn)換器在接近60 - 65°C時，部分元件會發(fā)熱，而該評估模塊未封閉以便探測電路節(jié)點，建議使用一個風(fēng)量為200 - 400 LFM的小風(fēng)扇，在輸出負載達到或超過最大額定負載電流的50%時降低元件溫度。

七、上電和下電測試程序

（一）準備工作

在ESD工作站工作，確保連接好腕帶、靴帶或墊子，將用戶接地。同時，必須穿戴靜電防護衣和安全眼鏡。

（二）連接設(shè)備

1. 在連接直流輸入源VIN之前，將源電流限制在最大3.5A，并將VIN初始設(shè)置為0V，連接到J1。
2. 在VIN和J1之間連接量程為0A至10A的電流表A1。
3. 在VIN兩端連接電壓表V1。
4. 將負載LOAD1連接到J8，并在施加VIN之前將LOAD1設(shè)置為恒流模式，吸收0A電流。
5. 在J9和J10兩端連接電壓表V2。
6. 將示波器連接到J13。

（三）上電測試

1. 將VIN從0V增加到36V，觀察VIN為36V時VOUT是否穩(wěn)壓。
2. 將VIN增加到48V。
3. 將LOAD1從0A增加到15A。
4. 打開風(fēng)扇，確保風(fēng)直接吹向評估模塊。
5. 將LOAD1從15A增加到30A。

（四）下電測試

1. 將LOAD1減小到0A。
2. 將VIN從48V減小到0V。
3. 關(guān)閉VIN。

八、評估模塊組裝圖和布局

評估模塊采用四層PCB設(shè)計，頂層和底層用于信號走線和元件放置，內(nèi)部有接地平面。PCB尺寸為3.6英寸×2.7英寸，設(shè)計目標是將所有元件安裝在行業(yè)標準的半磚格式內(nèi)（2.28英寸×2.20英寸）。所有元件均為標準OTS表面貼裝元件，分布在PCB的兩面，同時還展示了每層的銅蝕刻情況。

九、材料清單

文檔中詳細列出了UCC2891EVM - 520的元件清單，包括電容、二極管、MOSFET、電阻、變壓器等元件的數(shù)量、參考編號、描述、型號和制造商等信息。這些信息對于設(shè)計和組裝評估模塊至關(guān)重要。

十、注意事項

（一）評估板用途

該評估板僅用于工程開發(fā)、演示或評估目的，并非適用于一般消費者的成品。處理該產(chǎn)品的人員需具備電子培訓(xùn)，并遵循良好的工程實踐標準。

（二）合規(guī)性

評估板不符合歐盟關(guān)于電磁兼容性、有害物質(zhì)限制（RoHS）、回收（WEEE）、FCC、CE或UL等指令的要求，可能不滿足這些指令或其他相關(guān)指令的技術(shù)要求。

（三）保修與責(zé)任

如果評估板不符合用戶指南中的規(guī)格，可在交付日期起30天內(nèi)退還以獲得全額退款。用戶需承擔(dān)產(chǎn)品正確安全處理的所有責(zé)任和義務(wù)，并賠償TI因產(chǎn)品處理或使用而產(chǎn)生的所有索賠。

（四）操作范圍

必須在36V至75V的輸入電壓范圍和3.3V的輸出電壓范圍內(nèi)操作該評估板，超出指定范圍可能導(dǎo)致意外操作或?qū)υu估板造成不可逆損壞。

（五）溫度注意

正常運行時，部分電路元件的外殼溫度可能超過60°C。在操作過程中，將測量探頭放置在這些元件附近時，需注意它們可能會很燙。

通過以上對UCC2891EVM - 520評估模塊的詳細介紹，相信大家對基于UCC2891有源鉗位電流模式PWM控制器的48V轉(zhuǎn)3.3V正激變換器有了更深入的了解。在實際設(shè)計和應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體需求合理選擇元件和參數(shù)，確保電源系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定運行。大家在使用過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。