48-V to 3.3-V RCD Forward转换器的设计与测试

在电子工程领域，电源转换器的设计和性能优化一直是关键课题。今天，我们就来详细探讨一款由德州仪器（Texas Instruments）推出的48-V to 3.3-V RCD Forward转换器——UCC35705EVM。

文件下载：UCC35705EVM.pdf

一、评估套件重要说明

TI提供的这款评估套件主要用于工程开发或评估目的，并非适用于商业用途。该套件可能在设计、营销和制造相关的保护考虑方面存在不足，比如产品安全措施可能不如最终产品完善。同时，作为原型产品，它不在欧盟电磁兼容性指令范围内，可能无法满足该指令的技术要求。

如果套件不符合用户指南中的规格，可在交付日期起30天内退货并获得全额退款。用户需承担货物正确安全处理的责任，并对TI因货物处理或使用产生的所有索赔进行赔偿。此外，收到的产品可能未通过监管合规或机构认证（如FCC、UL、CE等），由于产品结构开放，用户要采取适当的静电放电预防措施。

二、动态警告和限制

• 输入电压范围：必须在0 VDC至72 VDC的输入电压范围内操作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。如有输入范围相关问题，连接输入电源前请联系TI现场代表。
• 输出负载范围：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。连接任何负载到EVM输出前，请查阅EVM用户指南。若对负载规格不确定，请联系TI现场代表。
• 组件温度：正常运行期间，一些电路组件的外壳温度可能超过50°C。只要保持输入和输出范围，EVM设计为在某些组件高于50°C时仍能正常运行。这些组件包括线性稳压器、开关晶体管、功率晶体管和电流感测电阻等。可使用EVM用户指南中的原理图识别这些设备。操作时在这些设备附近放置测量探头时，要注意这些设备可能很烫。

三、UCC35705EVM的特点

1. 宽输入电压范围：支持36 (V{DC}) 至72 (V{DC}) 的全范围电信输入。
2. 稳定输出：能够在3.3 (V{DC}) 下提供10 (A{DC}) 的输出电流，实现33-W的输出功率。
3. 电气隔离：具备1500-V的隔离能力，增强了安全性。
4. 小巧设计：采用名片大小（2.0” x 3.5”）的单组件侧电路板，节省空间。
5. 先进控制方式：采用带电压前馈的光隔离电压模式控制，以及500-kHz的高速振荡器频率，提高了效率和响应速度。
6. 高效节能：峰值效率可达85%，降低了能耗。
7. 多重保护：具备逐峰电流限制保护和低输入电压保护功能，保障了设备的稳定运行。
8. 灵活配置：拥有RCD变压器复位钳位和外部可编程软启动电路，方便用户根据需求进行调整。

四、UCC35705EVM的工作原理

UCC35705EVM采用德州仪器的UCC35705高速单端PWM，结合RCD复位钳位和同步整流输出。UCC35705设计为使用外部开关驱动器，用户可根据开关频率和开关MOSFET选择合适的驱动器，同时能将UCC35705及其敏感反馈信号置于低噪声环境，避免延长高电流栅极驱动路径。该模块使用单个TPS2829 ±2-A驱动器，为高速运行提供必要的高驱动电流。随着MOSFET技术的不断改进和更高电流MOSFET驱动器的出现，如UCC27324或UCC27322，有望实现更高速度的运行。

转换器的自驱动同步整流输出级通过利用变压器的次级驱动两个同步设备的栅极，显著提高了效率，减少了整流级的电压降，且无需额外的定时和驱动电路。

五、测试设置

测试和评估UCC35705EVM需要两个直流电压源（ (VIN) 和 (v_{CC}) ）和一个输出负载（LOAD1）。需要注意的是，初级侧接地（J1和J2）与次级侧接地（J3）隔离，且J3与J1和J2极性相反。环路测试点TP1（ (Vout) ）和TP2（反馈）通过一个50-Ω电阻连接，方便用户连接网络分析仪进行环路响应评估。

1. 输出负载（LOAD1）

使用可编程电子负载，设置为恒流模式，能够吸收高达10 (A{DC}) 的电流。UCC35705EVM在输入和输出之间采用隔离接地， (V{IN}) 和 (v_{CC}) （J1和J2）参考初级侧，与参考次级侧的 (VOUT) （J3）电气隔离。直流电压表V1直接连接到输出端子（J3），以减少输出端子（J3）和输出负载（LOAD1）之间的电压降误差。

2. (v_{CC}) 直流偏置电源（VCC）

UCC35705EVM没有自偏置电路，需要外部偏置电源为PWM和驱动电路供电。 (v{CC}) 是一个可变直流电压源，能够在0 (V{DC}) 至12 (V_{DC}) 之间提供不低于300 mA的电流，连接到J2。

3. 直流输入源（ (V_{IN}) ）

输入电压源是一个可变直流源，能够在0 (V{DC}) 至72 (V{DC}) 之间提供不低于1.5 (A{DC}) 的电流，连接到输入端子（J1）。为了对EVM进行故障保护，通常将源电流限制在不超过2 (A{DC}) 。在输入源（ (V_{IN}) ）和输入端子（J1）之间插入一个直流电流表（A1），以确保准确的输入电流读数。

4. 风扇

UCC35705EVM中的组件在运行期间温度会超过60°C。由于该模块未封闭以方便探测和电路评估，建议在模块附近放置一个至少20 cfm的小风扇，对着评估板吹风，以降低组件表面温度，减少操作人员受伤的风险。

六、电源上下电测试程序

1. 上电步骤

• 在ESD工作站工作，确保在给EVM通电前，将任何腕带、靴带或垫子连接到接地参考，同时佩戴静电服和安全眼镜。
• 将 (v{CC}) 电源设置为0 V，并按图2所示将 (v{CC}) 连接到J1。
• 在连接直流输入源 (VIN) 之前，将其设置为0 V，并将源电流限制在最大1 A。按图9所示在 (VIN) 和J2之间连接电流表A1（0-A至1-A范围），确保 (VIN) 初始设置为0 V。
• 按图2所示将LOAD1和电压表V1连接到J1。在施加 (V{IN}) 和 (v{CC}) 之前，将LOAD1设置为恒流模式，吸收0 (A_{DC}) 的电流。
• 将 (V{CC}) 从0 V增加到12 (V{DC}) ，然后设置为10.5 (V{DC}) 。即使施加了 (v{CC}) ，控制和开关电路也不应产生输出，因为UCC35705的电压前馈功能会抑制任何输出。
• 将 (V{IN}) 从0 V增加到48 (V{DC}) ，同时监测V1上的输出电压。V1应在30 (V{DC}) 之前不开始上升，并在36 (V{DC}) 时达到稳定（3.3 V）。
• 在0 A至10 (A_{DC}) 之间变化LOAD1，运行EVM带负载时，确保打开风扇直接对着EVM吹风。
• 在36 (V{DC}) 至72 (V{DC}) 之间变化输入电压。

2. 下电步骤

• 将电子负载设置为0 A，然后关闭。
• 将 (VIN) 设置为0 V，然后关闭。
• 将 (V_{CC}) 设置为0 V，然后关闭。

需要注意的是，T1、Q1、D1和R8之间的开关节点以及C4、R6和D1之间的复位节点在运行期间电压可能超过75 V，存在电击危险。在这些开关节点附近工作时，要采取适当的预防措施。

七、EVM组装图和布局

EVM采用双面PCB设计，顶层用于信号走线，底层采用分割接地平面。PCB尺寸为3.5” x 2.0”，设计目标是将所有组件保持在名片大小的PCB的一侧。所有组件均为标准OTS表面贴装组件，仅放置在PCB的顶层。

八、材料清单

材料清单详细列出了EVM的组件，包括电容器、二极管、端子块、电感器、晶体管、电阻器、变压器和IC等。用户可以根据具体应用需求修改部件类型和制造商。

通过对UCC35705EVM的深入了解，我们可以看到它在电源转换领域的诸多优势和特点。在实际设计和应用中，工程师们可以根据具体需求对其进行优化和调整，以实现更好的性能和稳定性。你在实际使用这款转换器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。