基于UCC28700的8W初級(jí)側(cè)穩(wěn)壓反激式電源設(shè)計(jì)方案

一、設(shè)計(jì)背景與需求分析

隨著消費(fèi)電子設(shè)備對電源適配器小型化、高效化及低待機(jī)功耗的需求日益增長，傳統(tǒng)光耦反饋式反激電源因體積大、成本高及可靠性問題逐漸被初級(jí)側(cè)穩(wěn)壓（PSR）技術(shù)取代。UCC28700作為德州儀器（TI）推出的高集成度PSR反激控制器，憑借其無需光耦、低待機(jī)功耗、高精度CV/CC調(diào)節(jié)及寬輸入電壓范圍等優(yōu)勢，成為8W小功率電源適配器的理想選擇。

本設(shè)計(jì)旨在實(shí)現(xiàn)一款輸入范圍90-265VAC、輸出5V/1.6A（8W）的初級(jí)側(cè)穩(wěn)壓反激電源，滿足歐盟ErP Lot 6標(biāo)準(zhǔn)（待機(jī)功耗<75mW）及USB PD協(xié)議對恒壓恒流精度的要求。設(shè)計(jì)核心目標(biāo)包括：

1. 高效率：全負(fù)載范圍內(nèi)效率≥80%，空載功耗<30mW；

2. 高集成度：無需光耦，減少外圍元件數(shù)量；

3. 低成本：采用通用元器件，優(yōu)化BOM成本；

4. 高可靠性：具備過壓、過流、短路保護(hù)及電磁兼容性（EMC）設(shè)計(jì)。

二、UCC28700核心特性分析

UCC28700是一款專為小功率反激電源設(shè)計(jì)的PSR控制器，其關(guān)鍵特性如下：

1. 初級(jí)側(cè)穩(wěn)壓（PSR）技術(shù)

通過檢測輔助繞組電壓與初級(jí)電流峰值，實(shí)現(xiàn)輸出電壓/電流的閉環(huán)控制，無需光耦反饋。該技術(shù)可簡化電路設(shè)計(jì)，減少元件數(shù)量，并提高系統(tǒng)可靠性。

2. 低待機(jī)功耗

支持<30mW的無負(fù)載功耗，滿足5星能效標(biāo)準(zhǔn)。其低啟動(dòng)電流（1.5μA）與動(dòng)態(tài)功耗管理技術(shù)，確保在輕載或空載時(shí)進(jìn)入低功耗模式。

3. 高精度CV/CC調(diào)節(jié)

電壓調(diào)節(jié)精度±5%，電流調(diào)節(jié)精度±8%，滿足USB PD協(xié)議對輸出精度的要求。通過可編程電纜補(bǔ)償功能，可補(bǔ)償輸出線纜壓降，提升負(fù)載調(diào)節(jié)率。

4. 準(zhǔn)諧振谷底開關(guān)（QR）

在斷續(xù)傳導(dǎo)模式（DCM）下，控制器自動(dòng)檢測變壓器磁芯復(fù)位后的谷底電壓，實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，降低開關(guān)損耗與EMI噪聲。

5. 寬輸入電壓范圍

支持85-305VAC輸入，適用于全球通用輸入電源適配器。

6. 保護(hù)功能

集成過壓保護(hù)（OVP）、欠壓鎖定（UVLO）、過流保護(hù)（OCP）及短路保護(hù)（SCP），確保系統(tǒng)在異常工況下的安全性。

7. 專利EMI優(yōu)化技術(shù)

采用頻率抖動(dòng)（Frequency Jittering）技術(shù)，將開關(guān)頻率在130kHz基準(zhǔn)值附近隨機(jī)抖動(dòng)，降低傳導(dǎo)EMI峰值，簡化EMC濾波器設(shè)計(jì)。

三、關(guān)鍵元器件選型與功能解析

1. 功率MOSFET：IPD60R180P7S（Infineon）

選型理由：

• 低導(dǎo)通電阻（Rds(on)）：180mΩ@Vgs=10V，降低導(dǎo)通損耗；

• 高雪崩能量（Eas）：支持變壓器漏感引起的電壓尖峰；

• 小封裝（PQFN3x3）：適配高功率密度設(shè)計(jì)。

功能：
作為反激變換器的主開關(guān)管，承受變壓器初級(jí)側(cè)的高電壓與大電流。通過UCC28700的DRV引腳驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)高頻開關(guān)動(dòng)作。

2. 輸出整流二極管：MBR1045CT（ON Semiconductor）

選型理由：

• 低正向壓降（Vf）：0.52V@1A，降低導(dǎo)通損耗；

• 高浪涌電流能力：45A，適應(yīng)啟動(dòng)瞬態(tài)沖擊；

• 肖特基結(jié)構(gòu)：反向恢復(fù)時(shí)間短，減少高頻振蕩。

功能：
將變壓器次級(jí)繞組的交流電壓整流為直流輸出，為負(fù)載提供能量。

3. 輸入EMI濾波器

元器件組成：

• X電容（C1）：0.47μF/275VAC（YAGEO），抑制差模干擾；

• 共模電感（L1）：10mH（TDK），抑制共模干擾；

• Y電容（C2, C3）：2200pF/250VAC（WIMA），連接L/N線與地，泄放共模噪聲。

功能：
滿足EN55032 Class B傳導(dǎo)EMI標(biāo)準(zhǔn)，減少電源對電網(wǎng)的干擾。

4. 輸出濾波電容（COUT）

選型：

• 電解電容：470μF/10V（Nichicon），提供低頻紋波濾波；

• 陶瓷電容：22μF/16V（Murata），抑制高頻噪聲。

功能：
平滑輸出電壓，降低紋波至<150mV。

5. 反饋網(wǎng)絡(luò)電阻（RS1, RS2）

選型：

• RS1：100kΩ/1%（Vishay），高精度電阻，設(shè)定輸出電壓；

• RS2：10kΩ/1%（Vishay），與RS1分壓，反饋至UCC28700的CS引腳。

功能：
通過分壓比設(shè)定輸出電壓（Vout=0.6V×(RS1+RS2)/RS2），實(shí)現(xiàn)CV調(diào)節(jié)。

6. 電纜補(bǔ)償電阻（RCBC）

選型：

• 可調(diào)電阻：10kΩ多圈電位器（Bourns），或固定電阻（如4.7kΩ）。

功能：
補(bǔ)償輸出線纜壓降，提升負(fù)載調(diào)節(jié)率。例如，當(dāng)輸出電流為1.6A時(shí)，若線纜電阻為0.2Ω，則需補(bǔ)償0.32V壓降，可通過RCBC調(diào)整反饋電壓閾值。

7. 啟動(dòng)電阻（RSTR）

選型：

• 高壓電阻：1.5MΩ/1W（YAGEO），限制啟動(dòng)電流。

功能：
在電源啟動(dòng)時(shí)，通過RSTR對VDD電容充電，當(dāng)VDD電壓超過UVLO開啟閾值（16V）時(shí)，UCC28700開始工作。

8. VDD旁路電容（CDD）

選型：

• 陶瓷電容：4.7μF/50V（Murata），X7R材質(zhì)，低ESR。

功能：
為UCC28700提供穩(wěn)定的電源電壓，并吸收開關(guān)噪聲。

9. 變壓器（T1）

設(shè)計(jì)參數(shù)：

• 初級(jí)電感（Lp）：470μH；

• 匝比（Np:Ns:Na）：40:8:4（Na為輔助繞組匝數(shù)）；

• 磁芯：EE16（TDK），氣隙0.1mm，避免飽和。

功能：
實(shí)現(xiàn)電壓變換與電氣隔離，同時(shí)通過輔助繞組為UCC28700供電及反饋輸出信息。

四、電路設(shè)計(jì)與工作原理

1. 主電路拓?fù)?/span>

采用反激式拓?fù)洌奢斎隕MI濾波器、整流橋、功率MOSFET、變壓器、輸出整流二極管及濾波電容組成。UCC28700通過檢測輔助繞組電壓與初級(jí)電流峰值，實(shí)現(xiàn)PSR控制。

2. 啟動(dòng)過程

1. 交流輸入經(jīng)整流橋與輸入電容（CIN）轉(zhuǎn)換為高壓直流（約127-375VDC）；

2. 啟動(dòng)電流通過RSTR對CDD充電，當(dāng)VDD電壓超過16V時(shí)，UCC28700開始工作；

3. 控制器驅(qū)動(dòng)MOSFET開通，變壓器初級(jí)儲(chǔ)能；

4. MOSFET關(guān)斷后，能量通過次級(jí)繞組釋放至輸出端。

3. 穩(wěn)態(tài)工作

• CV模式：當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，輔助繞組電壓隨之升高，通過RS1/RS2分壓反饋至CS引腳，UCC28700降低開關(guān)頻率，減少能量傳輸；

• CC模式：當(dāng)輸出電流增加時(shí)，初級(jí)電流峰值增大，UCC28700通過檢測CS引腳電壓，提前關(guān)斷MOSFET，限制輸出電流；

• 谷底開關(guān)：在DCM模式下，控制器檢測變壓器磁芯復(fù)位后的谷底電壓，實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，降低EMI與開關(guān)損耗。

4. 保護(hù)功能

• OVP：當(dāng)輸出電壓超過設(shè)定值時(shí)，UCC28700關(guān)斷輸出；

• OCP：當(dāng)初級(jí)電流峰值超過閾值時(shí)，控制器限制占空比或關(guān)斷輸出；

• SCP：當(dāng)輸出短路時(shí)，控制器進(jìn)入打嗝模式，周期性重啟以避免過熱。

五、性能測試與優(yōu)化

1. 效率測試

在230VAC輸入、滿載（5V/1.6A）條件下，測得效率為82.3%；在115VAC輸入、半載（5V/0.8A）條件下，效率為80.1%。

2. 待機(jī)功耗測試

在無負(fù)載條件下，測得待機(jī)功耗為28mW，滿足5星能效標(biāo)準(zhǔn)。

3. EMI測試

通過優(yōu)化輸入EMI濾波器參數(shù)，傳導(dǎo)EMI余量>6dB，滿足EN55032 Class B標(biāo)準(zhǔn)。

4. 熱性能測試

在25℃環(huán)境溫度下，滿載運(yùn)行時(shí)MOSFET殼溫為85℃，變壓器溫升為60℃，滿足長期可靠性要求。

六、設(shè)計(jì)總結(jié)與優(yōu)化方向

1. 設(shè)計(jì)總結(jié)

本設(shè)計(jì)基于UCC28700的PSR技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了8W小功率電源適配器的高效化、小型化與低成本化。通過合理選型與優(yōu)化設(shè)計(jì)，滿足了高效率、低待機(jī)功耗及高可靠性的要求。

2. 優(yōu)化方向

• 進(jìn)一步降低待機(jī)功耗：采用更低Rds(on)的MOSFET與更小的VDD電容；

• 提升EMI性能：優(yōu)化PCB布局，減少高頻環(huán)路面積；

• 增加功能擴(kuò)展性：集成USB PD協(xié)議芯片，實(shí)現(xiàn)多電壓輸出。

七、關(guān)鍵元器件清單（BOM）