基于UCC2891的48V转3.3V正激变换器设计与应用

在电子设备的电源设计中，高效、稳定的电源转换是至关重要的。今天我们来深入探讨一下基于UCC2891有源钳位电流模式PWM控制器的48V转3.3V正激变换器的设计与应用。

文件下载：UCC2891EVM-520.pdf

一、UCC2891EVM - 520评估模块简介

UCC2891EVM - 520评估模块是一款正激变换器，能够在48V输入下，提供3.3V的稳压输出，负载电流可达30A。它可在36V至75V的电信输入范围内工作，甚至能在零负载电流下实现完全稳压。该模块采用UCC2891电流模式有源钳位PWM控制器，有效展示了有源钳位变压器复位技术。

有源钳位技术带来了诸多好处，比如控制驱动的变压器复位方案可实现零电压开关（ZVS），提高整体效率；降低漏源电压应力；扩展占空比超过50%；减少电磁辐射干扰。结合同步整流技术，该评估模块工作频率为300kHz，峰值效率略超过92%，满载效率达90%。此外，模块还具备输出有源电流限制功能，但在短路或过载情况下，需在元件热限制超出前关闭设备。

二、UCC2891控制器特性

（一）先进的控制特性

UCC2891控制器家族具备多种先进的有源钳位控制特性。它支持可编程最大占空比钳位、可编程两个初级开关之间的死区时间，还能驱动P沟道或N沟道MOSFET，适用于高端或低端有源钳位配置。而且，它可以直接从48V电信总线电压启动，无需外部启动电路。

（二）丰富的功能集成

评估模块集成了可编程软启动、用于峰值电流模式控制的内部斜率补偿、内部低线电压检测、内部可同步时钟输入、逐周期电流限制以及强大的2A灌/拉TrueDrive™内部栅极驱动电路。这些功能使得设计高效且所需外部元件极少。

（三）独特的输出架构

UCC2891采用的TrueDrive™混合输出架构，使用了TI独特的TrueDrive BipolarCMOS输出。对于用户而言，TrueDrive意味着在MOSFET米勒平台区域提供尽可能高的驱动电流，实现超快的上升和下降时间。

（四）封装形式

UCC2891/2/3/4有16引脚SOIC或16引脚TSSOP封装，适用于对电路板空间要求极高的应用。

三、应用场景与特性

（一）应用场景

UCC2891适用于隔离式电信48V输入系统，这些系统要求高效率和高功率密度，用于极低输出电压、大电流转换应用，如服务器系统、数据通信、电信、DSP、ASIC和FPGA等。

（二）评估模块特性

UCC2891EVM - 520评估模块具有以下特性：

1. ZVS变压器复位：在正激变换器中采用有源钳位技术实现ZVS变压器复位。
2. 表面贴装元件：所有元件均为表面贴装，采用双面半砖（2.2 × 2.28 × 0.5）英寸设计。
3. 互补辅助驱动：为有源钳位提供互补辅助驱动，可编程死区时间以实现ZVS。
4. 电流模式控制：具备同步功能的电流模式控制。
5. 内部PWM斜率补偿：提供内部PWM斜率补偿。
6. 直接启动：可直接从电信输入电压启动。
7. 同步整流输出级：同步整流输出级实现高效运行。
8. 可编程软启动：支持可编程软启动。
9. 大电流输出：直流输出电流可达30A。
10. 零负载稳压：可实现零负载电流下的稳压。
11. 非锁存保护：具备非锁存输出电流限制和非锁存输入欠压保护。
12. 隔离设计：初级到次级具有1500V隔离。

四、电气性能规格

UCC2891EVM - 520的电气性能规格如下表所示：	PARAMETER	TEST CONDITIONS	MIN	TYP	MAX	UNITS
Input Characteristics
Input voltage range		36	48	75	V
No load input current	V IN = 36 V, I OUT = 0 A		75	100	mA
Maximum input current	V IN = 36 V, I OUT = 30 A		3.00	3.25	A
Input voltage ripple	V IN = 75 V, I OUT = 30 A		1.50	1.75	V P - P
Output voltage	36 V ≤ V IN ≤ 75 V, 0 A ≤ I OUT ≤ 30 A	3.25	3.30	3.35	V
Output voltage regulation	Line regulation (36 V ≤ V IN ≤ 75 V, I OUT = 0 A)		±0.30%
Load regulation (0 A ≤ I OUT ≤ 30 A, V IN = 48 V)		0.050%
Output voltage ripple	V IN = 48 V, I OUT = 30 A		30	40	mV P - P
Output load current	V IN = 48 V, I OUT = 30 A	0		30	A
Output current limit	36 V ≤ V IN ≤ 72 V	32		<40
Switching frequency		275		325	kHz
Control loop bandwidth	36 V ≤ V IN ≤ 75 V, I OUT = 10 A	5		8
Control loop bandwidth	36 V ≤ V IN ≤ 75 V, 2 A ≤ I OUT ≤ 30 A	30		50	°C
Peak efficiency			92%
Full load efficiency	V IN = 48 V, I OUT = 30 A		90%

从这些规格中，我们可以清晰地了解到该评估模块在不同条件下的性能表现，为实际应用提供了重要的参考依据。

五、电路原理图分析

（一）初级侧电路

UCC2891EVM - 520的原理图中，终端块J1是48V输入电压源连接器，J8是3.3V输出电压的输出和返回端。在初级侧，U1是UCC2891，搭配必要的分立电路，使控制器以300kHz运行，最大占空比钳位设置为0.65。评估模块通过R11和R12编程为在VIN = 36V时启动。为了减少电流检测中的功率损耗，使用了电流检测变压器T1，而非在Q2源极和功率地之间使用简单的检测电阻。Q2是初级开关MOSFET，根据VDS和低RDS(on)选择；Q1是AUX（有源复位）MOSFET，主要根据封装选择，对RDS(on)和Qg考虑较少。由于该设计采用低端有源钳位，Q1必须是P沟道MOSFET。C9是钳位电容，用于维持恒定的直流电压，在有源钳位期间，通过从钳位电压中减去输入电压来实现变压器复位。

（二）次级侧电路

在次级侧，采用自驱动同步整流技术实现高效运行。Q3和Q4并联组成正向同步整流器（SR），反向SR由Q5、Q7和Q8并联组成。由于占空比接近60%，反向SR中的MOSFET在续流模式下承载的平均电流比Q3和Q4更高。输出电感L1有一个耦合次级，参考初级侧，用于为U1提供自举电压。由D6、Q6和相关滤波电路组成的串联稳压调节器为光耦合器U2提供稳定的偏置。

（三）测试接口

原理图中还设置了多个测试接口。示波器插孔J2和J3可用于测量初级MOSFET Q2的栅源和漏源信号；J4和J5方便访问次级侧每个SR的栅极驱动信号；J6和J7可用于连接网络分析仪，非侵入式地测量控制到输出的环路增益和相位。

六、测试设置

（一）输出负载

对于输出负载，使用可编程电子负载，设置为恒流模式，能够吸收0A至30A的直流电流。建议使用直流电压表V2直接在J9和J10引脚测量输出电压，以避免因负载无远程感测功能而导致的电压测量误差。

（二）直流输入源

输入电压由可变直流源提供，能够在0V至72V之间输出，电流不小于3.5A，并连接到J1和A1。为保护评估模块，在36V输入时，将源电流限制在不超过4A是常见的做法。同时，在VIN和J1之间插入直流电流表A1。

（三）网络分析仪

网络分析仪直接连接到J6和J7，评估模块在输出和电压反馈之间提供了一个51.1Ω的电阻（R25），便于非侵入式测量控制到输出的环路响应。

（四）输出纹波测量

使用示波器探头通过示波器插孔J13测量输出纹波，将示波器设置为交流耦合，幅度分辨率为50mV/div，时间分辨率为2µs/div，带宽限制为20MHz。

（五）推荐线规

连接源电压VIN和评估模块J1的导线需承载高达3.25A的直流电流，建议使用最小线径为AWG #20的导线，总长度小于8英尺（输入4英尺，返回4英尺）。连接评估模块J8和负载LOAD1的导线需承载高达30A的直流电流，建议使用最小线径为AWG #16的导线，总长度小于8英尺（输出4英尺，返回4英尺）。

（六）风扇

由于大多数功率转换器在接近60 - 65°C时，部分元件会发热，而该评估模块未封闭以便探测电路节点，建议使用一个风量为200 - 400 LFM的小风扇，在输出负载达到或超过最大额定负载电流的50%时降低元件温度。

七、上电和下电测试程序

（一）准备工作

在ESD工作站工作，确保连接好腕带、靴带或垫子，将用户接地。同时，必须穿戴静电防护衣和安全眼镜。

（二）连接设备

1. 在连接直流输入源VIN之前，将源电流限制在最大3.5A，并将VIN初始设置为0V，连接到J1。
2. 在VIN和J1之间连接量程为0A至10A的电流表A1。
3. 在VIN两端连接电压表V1。
4. 将负载LOAD1连接到J8，并在施加VIN之前将LOAD1设置为恒流模式，吸收0A电流。
5. 在J9和J10两端连接电压表V2。
6. 将示波器连接到J13。

（三）上电测试

1. 将VIN从0V增加到36V，观察VIN为36V时VOUT是否稳压。
2. 将VIN增加到48V。
3. 将LOAD1从0A增加到15A。
4. 打开风扇，确保风直接吹向评估模块。
5. 将LOAD1从15A增加到30A。

（四）下电测试

1. 将LOAD1减小到0A。
2. 将VIN从48V减小到0V。
3. 关闭VIN。

八、评估模块组装图和布局

评估模块采用四层PCB设计，顶层和底层用于信号走线和元件放置，内部有接地平面。PCB尺寸为3.6英寸×2.7英寸，设计目标是将所有元件安装在行业标准的半砖格式内（2.28英寸×2.20英寸）。所有元件均为标准OTS表面贴装元件，分布在PCB的两面，同时还展示了每层的铜蚀刻情况。

九、材料清单

文档中详细列出了UCC2891EVM - 520的元件清单，包括电容、二极管、MOSFET、电阻、变压器等元件的数量、参考编号、描述、型号和制造商等信息。这些信息对于设计和组装评估模块至关重要。

十、注意事项

（一）评估板用途

该评估板仅用于工程开发、演示或评估目的，并非适用于一般消费者的成品。处理该产品的人员需具备电子培训，并遵循良好的工程实践标准。

（二）合规性

评估板不符合欧盟关于电磁兼容性、有害物质限制（RoHS）、回收（WEEE）、FCC、CE或UL等指令的要求，可能不满足这些指令或其他相关指令的技术要求。

（三）保修与责任

如果评估板不符合用户指南中的规格，可在交付日期起30天内退还以获得全额退款。用户需承担产品正确安全处理的所有责任和义务，并赔偿TI因产品处理或使用而产生的所有索赔。

（四）操作范围

必须在36V至75V的输入电压范围和3.3V的输出电压范围内操作该评估板，超出指定范围可能导致意外操作或对评估板造成不可逆损坏。

（五）温度注意

正常运行时，部分电路元件的外壳温度可能超过60°C。在操作过程中，将测量探头放置在这些元件附近时，需注意它们可能会很烫。

通过以上对UCC2891EVM - 520评估模块的详细介绍，相信大家对基于UCC2891有源钳位电流模式PWM控制器的48V转3.3V正激变换器有了更深入的了解。在实际设计和应用中，我们需要根据具体需求合理选择元件和参数，确保电源系统的高效、稳定运行。大家在使用过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。