冯欣宇，黄阿娟
（中国电子科技集团公司第十六研究所安徽万瑞冷电科技有限公司，安徽合肥230088）
摘要：介绍了基于UCC28910的5 V/1.2 A隔离反激式开关电源。电路结构简单，所需外部元件较少，有效减少了电路板占用面积。电源可实现AC 85~265 V宽电压输入，在无需光耦合器的情况下实现恒定电压与恒定电流输出。具有700 V高压启动和小于30 mW待机功耗的特点。采用DCM模式减少开关损耗，符合Energy StarEPS 2.0标准。
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关键词 ：反激式开关电源；UCC28910；AC/DC电源；高压启动
中图分类号：TN86?34 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）16?0152?04
收稿日期：2015?03?03
0 引言
目前空间技术、计算机、通信、雷达、电视及家用电器中的电源逐渐被开关电源取代。传统的串联稳压器，调整管总是工作于放大区，流过的电流是连续的。缺点是承受过载和短路的能力差、效率低，一般只有35%~60%。开关电源的调整管工作在开关状态，功率损耗小，效率可高达70%~95%。此外开关频率工作在几十kHz，滤波电感、电容可用较小数值的元件，允许的环境温度也可以大大提高[1]。常见到离线式开关变换器（off?lineSwitching Converter）是AC?DC 变换，也常称开关整流器；它不单是整流的意义，而且整流后又作了DC?DC变换。离线并不是变换器与市电线路无关的意思，只是变换器中因有高频变压器隔离，故称离线[2]。UCC28910专门用于隔离反激式电源，在无需光耦合器的情况下提供恒压或恒流输出。此器件组合有一个700 V功率场效应晶体管（FET）和控制器，控制器处理来自辅助反激式绕组以及功率FET 的运行信息，以提供精准的输出电压和电流控制。非常适合用于手机、平板电脑和照相机的交流和直流适配器、充电器、电能计量、电视待机开关模式电源、服务器、大型家电、LED驱动器等。
1 电路设计
本设计的电路原理图如图1 所示。采用原边控制方式，即变压器能量转换到副边时辅助绕组测量输出电压。UCC28910内置了700 V的MOSFET，很大程度上简化了电路设计。VS管脚的功能有3个：
（1）为电压控制回路提供输出电压的信息。输出电压反馈值采样是在变压器次级电流退磁时完成；
（2）提供定时信息来完成谷底开关和变压器次级电流占空比；
（3）采样大容量电容（Bulk Capacitor）输入电压以提供欠压关断。
其中功能（1），（2）是在MOSFET 关断时进行的，功能（3）是在MOSFET导通辅助绕组为负电压时完成的。IPK 管脚外接电阻可以设定功率FET 峰值电流的最大值。DRAIN 管脚连接到内部功率FET 的漏极，同时提供高压电流源的启动电流。设计中使用整流桥DB106S（600 V/1 A）完成对交流输入的整流。C1，C2 与L1，L2 构成输入EMI滤波器。R1，R2 用来抑制输入滤波器振荡，同时防止ESD脉冲在L1与L2上形成大电压。R5，C3，D2，D3构成原边电位钳，防止在场效应管关断时UCC28910的漏极电压超过FET 的击穿电压；同时起到缓解UCC28910关断电压造成的EMI电流。电容C3的值不能取太高，充电时间要短。R5的值也不宜取太大，以免电阻上的额外压降导致过高的漏极电压。C4为去耦电容，应选择低ESR/ESL类型的电容器，尽量靠近芯片引脚放置，并直接返回到芯片的参考地平面。控制器的偏置电压由变压器辅助绕组、D4，R7，C5来提供。R9用来设定启动电压阀值。R8用来设定输出电压值。R3，R4共同来设置输出最大电流值。变压器次级线圈侧的C6，R10 用来降低D5管的开关噪声。R12用于调整空载输出电压。
UCC28910设置有丰富的保护功能，为整个设备的安全运行提供保障。
（1）当实际输出电压为标称输出电压的115%时会产生输出过压保护，器件停止工作；
（2）控制器会检测连续的3个开关周期，如果符合输入电压过低的条件将会触发保护；
（3） 内部过温保护阀值为150 ℃并有50 ℃的迟滞。过温保护后器件温度必须降到100 ℃左右时才能再继续工作；
（4）漏极过电流也会触发保护；
（5）根据漏极峰值电流的大小功率FET 的最大导通时间也设置有保护；
（6）如果VDD 内部钳位器中的电流超过6 mA，器件也会自动保护停止工作。
UCC28910最大开关频率的选择应该在效率要求与变压器尺寸之间权衡。一般来讲降低开关频率会提高效率，提高开关频率可以减小变压器尺寸。器件的极限开关频率为115 kHz，所以实际使用的开关频率最大值需满足以下条件：
式中：KAM 为初级最大最小峰值电流比；KCC 为恒电流模式下次级二极管导通占空比；fSW（max）为最大开关频率，它们的典型值可以在手册中查到。经过试验tDMAG（min）为1.2 μs左右时较合适。变压器最大初次级匝数比是由满载下最大开关频率、最小输入电容电压（Bulk Voltage）和预估的DCM 准谐振时间来确定的。最大可用占空比和次级传导时间的确定是建立在目标开关频率与DCM 谐振时间上的。对于DCM谐振时间可假设tR=1 500 kHz 。由于转换模式操作的限制，次级电流传导至VDS（MOSFET 漏极?源极）电压的第1次估值所需要的时间要求是DCM谐振时间的一半或者是1 μs（假设500 kHz 的谐振频率）。MOSFET的最大占空比可由下式计算得到：
DMAX得到后就可计算出变压器最大初次级匝数比：
式中：VBULK（min）为全功率时C1，C2上的最小电压；VOCV为恒电压模式下的输出电压；VF为次级整流电流接近0时D5的正向压降。对于5 V的USB充电器应用，NPS可取13~17作为典型值。
变压器在满载条件下的输入功率是由输出功率、输出二极管上的功耗、UCC28910本身的功耗三者之和除以变压器的效率来计算的，如下式：
式中IOCC为在恒电流操作模式时的变压器输出电流目标值；VVDD为VDD引脚上的电压；IRUN为器件的最大消耗电流；ηXFMR为变压器初级到次级的功率转换效率，与变压器铜损、磁芯损耗、漏电感中的能量损耗有关。
当固定了最大开关频率和初级侧最大峰值电流后，初级侧的电感值可以通过下式来计算得到：
式中：LP_Tol 为变压器初级电感的公差，典型值为±10%~±15%；ID_PK（max）为变压器初级侧最大电流峰值。表1为设计中用到的元器件相关信息汇总。
2 干扰性分析
UCC28910使用谷底开关以减少MOSFET的开关损耗，同时也减小了FET的开启电流尖峰。器件在几乎所有负载条件下采用谷底开关的工作方式，直到VDS 振铃消失。在VDS最低值时进行开关操作可减小MOSFET开启时的dV/dt，有利于减小器件的EMI。在负载非常小或没有负载的情况下，VDS 振铃非常低而且很难被检测到，此时使用谷底开关的意义不大，所以此时谷底开关自动被禁止。开关电源由于较高的dV/dt 和dI/dt、电路中存在的寄生电感和电容使开关电源的电磁干扰噪声较难消除[3]。
频率抖动（Jitter Frequency）技术不是从减少分布参数这种极难的工艺角度解决电磁兼容问题，也不是采用滤波这样的使干扰旁路的方式，而是从EMI测试仪器测试的原理出发，使集中的频谱能量分散化的角度来实现“频谱搬移”，满足EMC容限要求，以解决EMC问题的[4]。
抖频即指开关电源的工作频率并非固定不变，而是周期性地变化。通过减少某频率点上信号的幅值，从而达到了抑制EMI的效果。UCC28910采用了抖频技术，很好地实现了电磁干扰（EMI）兼容性。同时内部FET开关接通和关闭期间，DRAIN（漏）电压的受控斜坡都有助于减少EMI滤波器的成本。使用其开发的产品也较容易达到相关电磁兼容性标准。
3 性能测试
UCC28910 使用DCM（电感电流不连续）工作模式有如下主要优点[5]：
（1）开关管的导通损耗几乎是零；
（2）输入及负载响应能力较好；
（3）反馈环容易稳定；
（4）输出二极管的选择比较容易，因为二极管的恢复时间不是关键因素。
DCM 模式配合谷底开关技术可以减小开关损耗，开关频率与初级峰值电流幅值调制相结合，用以保证在满负荷和输入电压范围内的高效转换。
本设计相关参数测量用到的仪器如下：
（1） AC 电源。输入电源必须是一个可调的85~265 V不低于15 W 的隔离交流电源。为达到最高精度的效率计算，需把功率计的电压端直接连接至此电源。
（2）负载。可编程电子负载设定为恒电流模式，并具有DC 10 V时DC 0~1.5 A的灌电流能力。
（3）功率计。功率计应可以测量低输入电流，一般小于100 μA。测量低功率待机模式的输入功率时，功率计还应具有长期平均模式。本设计选用横河WT210电子功率计。
（4）万用表。使用2 块万用表同时测量输出电压与负载电流。
（5）示波器。使用带宽500 MHz的示波器。
（6）线缆。使用AWG24线缆，测试板与AC电源以及与负载的电缆连接长度为50 cm。
图2，图3是本设计的的V?I 特性及效率特性曲线。图4 是在输入AC 265 V 输出5 V/1.2 A 时，20 mV/div，5 μs/div设置下的电源纹波波形。
4 结论
本文基于UCC28910设计的AC?DC电源，具有所用分立元器件少、占用电路板面积小、抗干扰性强的优点。最高可以提供6 W输出功率，非常适合用作交直流电源适配器与小型仪表电源。
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参考文献
[1] 何希才.新型开关电源及其应用[M].北京：人民邮电出版社，1996.
[2] 张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京：电子工业出版社，1998.
[3] 李建婷，熊蕊.抖频?有效降低开关电源EMI噪声容限的技术[J].电源技术应用，2006（5）：40?42.
[4] 李意，尹华杰.开关电源电磁干扰抑制的频率控制方法比较[J].电力电子技术，2004，38（4）：48?49.
[5] 沈建华.DCM模式反激式功率变压器的设计[J].通信与广播电视，2008（2）：42?45.
[6] 杨立杰.多路输出单端反激式开关电源设计[J].现代电子技术，2007（6）：23?26.
作者简介：冯欣宇（1982—），男，工程师，硕士。从事低温测量仪器仪表研发工作。