基于UCC28700的8W初級側穩壓反激式電源設計方案

一、設計背景與需求分析

隨著消費電子設備對電源適配器小型化、高效化及低待機功耗的需求日益增長，傳統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側穩壓（PSR）技術取代。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、低待機功耗、高精度CV/CC調節及寬輸入電壓范圍等優勢，成為8W小功率電源適配器的理想選擇。

本設計旨在實現一款輸入范圍90-265VAC、輸出5V/1.6A（8W）的初級側穩壓反激電源，滿足歐盟ErP Lot 6標準（待機功耗<75mW）及USB PD協議對恒壓恒流精度的要求。設計核心目標包括：

1. 高效率：全負載范圍內效率≥80%，空載功耗<30mW；

2. 高集成度：無需光耦，減少外圍元件數量；

3. 低成本：采用通用元器件，優化BOM成本；

4. 高可靠性：具備過壓、過流、短路保護及電磁兼容性（EMC）設計。

二、UCC28700核心特性分析

UCC28700是一款專為小功率反激電源設計的PSR控制器，其關鍵特性如下：

1. 初級側穩壓（PSR）技術

通過檢測輔助繞組電壓與初級電流峰值，實現輸出電壓/電流的閉環控制，無需光耦反饋。該技術可簡化電路設計，減少元件數量，并提高系統可靠性。

2. 低待機功耗

支持<30mW的無負載功耗，滿足5星能效標準。其低啟動電流（1.5μA）與動態功耗管理技術，確保在輕載或空載時進入低功耗模式。

3. 高精度CV/CC調節

電壓調節精度±5%，電流調節精度±8%，滿足USB PD協議對輸出精度的要求。通過可編程電纜補償功能，可補償輸出線纜壓降，提升負載調節率。

4. 準諧振谷底開關（QR）

在斷續傳導模式（DCM）下，控制器自動檢測變壓器磁芯復位后的谷底電壓，實現軟開關，降低開關損耗與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. 保護功能

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

7. 專利EMI優化技術

采用頻率抖動（Frequency Jittering）技術，將開關頻率在130kHz基準值附近隨機抖動，降低傳導EMI峰值，簡化EMC濾波器設計。

三、關鍵元器件選型與功能解析

1. 功率MOSFET：IPD60R180P7S（Infineon）

選型理由：

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

• 高雪崩能量（Eas）：支持變壓器漏感引起的電壓尖峰；

• 小封裝（PQFN3x3）：適配高功率密度設計。

功能：
作為反激變換器的主開關管，承受變壓器初級側的高電壓與大電流。通過UCC28700的DRV引腳驅動，實現高頻開關動作。

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

選型理由：

• 低正向壓降（Vf）：0.52V@1A，降低導通損耗；

• 高浪涌電流能力：45A，適應啟動瞬態沖擊；

• 肖特基結構：反向恢復時間短，減少高頻振蕩。

功能：
將變壓器次級繞組的交流電壓整流為直流輸出，為負載提供能量。

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EMI標準，減少電源對電網的干擾。

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. 反饋網絡電阻（RS1, RS2）

選型：

• RS1：100kΩ/1%（Vishay），高精度電阻，設定輸出電壓；

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

功能：
通過分壓比設定輸出電壓（Vout=0.6V×(RS1+RS2)/RS2），實現CV調節。

6. 電纜補償電阻（RCBC）

選型：

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

功能：
補償輸出線纜壓降，提升負載調節率。例如，當輸出電流為1.6A時，若線纜電阻為0.2Ω，則需補償0.32V壓降，可通過RCBC調整反饋電壓閾值。

7. 啟動電阻（RSTR）

選型：

• 高壓電阻：1.5MΩ/1W（YAGEO），限制啟動電流。

功能：
在電源啟動時，通過RSTR對VDD電容充電，當VDD電壓超過UVLO開啟閾值（16V）時，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，低ESR。

功能：
為UCC28700提供穩定的電源電壓，并吸收開關噪聲。

9. 變壓器（T1）

設計參數：

• 初級電感（Lp）：470μH；

• 匝比（Np:Ns:Na）：40:8:4（Na為輔助繞組匝數）；

• 磁芯：EE16（TDK），氣隙0.1mm，避免飽和。

功能：
實現電壓變換與電氣隔離，同時通過輔助繞組為UCC28700供電及反饋輸出信息。

四、電路設計與工作原理

1. 主電路拓撲

采用反激式拓撲，由輸入EMI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電流峰值，實現PSR控制。

2. 啟動過程

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

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

3. 控制器驅動MOSFET開通，變壓器初級儲能；

4. MOSFET關斷后，能量通過次級繞組釋放至輸出端。

3. 穩態工作

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

• CC模式：當輸出電流增加時，初級電流峰值增大，UCC28700通過檢測CS引腳電壓，提前關斷MOSFET，限制輸出電流；

• 谷底開關：在DCM模式下，控制器檢測變壓器磁芯復位后的谷底電壓，實現軟開關，降低EMI與開關損耗。

4. 保護功能

• OVP：當輸出電壓超過設定值時，UCC28700關斷輸出；

• OCP：當初級電流峰值超過閾值時，控制器限制占空比或關斷輸出；

• SCP：當輸出短路時，控制器進入打嗝模式，周期性重啟以避免過熱。

五、性能測試與優化

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. 待機功耗測試

在無負載條件下，測得待機功耗為28mW，滿足5星能效標準。

3. EMI測試

通過優化輸入EMI濾波器參數，傳導EMI余量>6dB，滿足EN55032 Class B標準。

4. 熱性能測試

在25℃環境溫度下，滿載運行時MOSFET殼溫為85℃，變壓器溫升為60℃，滿足長期可靠性要求。

六、設計總結與優化方向

1. 設計總結

本設計基于UCC28700的PSR技術，實現了8W小功率電源適配器的高效化、小型化與低成本化。通過合理選型與優化設計，滿足了高效率、低待機功耗及高可靠性的要求。

2. 優化方向

• 進一步降低待機功耗：采用更低Rds(on)的MOSFET與更小的VDD電容；

• 提升EMI性能：優化PCB布局，減少高頻環路面積；

• 增加功能擴展性：集成USB PD協議芯片，實現多電壓輸出。

七、關鍵元器件清單（BOM）