UCC25800-Q1：汽車應(yīng)用中超低EMI變壓器驅(qū)動的理想之選

在電子工程領(lǐng)域，尤其是汽車電子應(yīng)用中，對于高效、低電磁干擾（EMI）的變壓器驅(qū)動需求日益增長。德州儀器（TI）的UCC25800-Q1超低EMI變壓器驅(qū)動器，為隔離偏置電源設(shè)計帶來了新的解決方案。本文將詳細(xì)介紹UCC25800-Q1的特性、應(yīng)用、詳細(xì)工作原理以及設(shè)計要點(diǎn)。

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1. 特性亮點(diǎn)

1.1 高效半橋驅(qū)動與低EMI設(shè)計

UCC25800-Q1采用高效半橋變壓器驅(qū)動架構(gòu)，其超低EMI特性得益于低繞組間電容設(shè)計。這種設(shè)計允許使用具有更高漏感但寄生初級 - 次級電容更小的變壓器，從而顯著降低了通過偏置變壓器的共模電流注入，有效減少了EMI噪聲。

1.2 寬輸入電壓范圍與功率輸出

該驅(qū)動器支持9V至34V的寬輸入電壓范圍，不同輸入電壓下具有可觀的功率輸出能力：34V輸入時可達(dá)9W，24V輸入時為6W，15V輸入時為4W，能滿足多種應(yīng)用場景的需求。

1.3 可編程特性與自動調(diào)節(jié)

具備可編程頻率功能，頻率范圍為0.1MHz至1.2MHz，可根據(jù)實(shí)際需求靈活調(diào)整。同時，自動死區(qū)時間調(diào)整功能結(jié)合最大死區(qū)時間編程，能有效簡化設(shè)計并降低導(dǎo)通損耗。

1.4 強(qiáng)大的保護(hù)功能

集成了多種保護(hù)特性，包括欠壓鎖定（UVLO）、可編程過流保護(hù)（OCP）、輸入過壓保護(hù)（OVP）、過溫保護(hù)（TSD）以及集成軟啟動功能，可有效減少浪涌電流。此外，還具備外部禁用功能和故障代碼輸出，提高了系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性。

1.5 汽車級認(rèn)證與功能安全

通過AEC - Q100汽車應(yīng)用認(rèn)證，溫度等級為1（ - 40°C至 + 125°C），且具備功能安全能力，提供相關(guān)文檔支持功能安全系統(tǒng)設(shè)計。采用8引腳DGN封裝并帶有散熱墊，增強(qiáng)了熱管理能力。

2. 應(yīng)用領(lǐng)域

UCC25800-Q1適用于多種汽車和工業(yè)應(yīng)用，包括汽車牽引逆變器和電機(jī)控制、車載充電器（OBC）、汽車DC/DC轉(zhuǎn)換器、電動汽車充電站、UPS和太陽能逆變器、工業(yè)電機(jī)、電梯和自動扶梯等。此外，還可作為GaN、IGBT和SiC柵極變壓器驅(qū)動的偏置電源。

3. 詳細(xì)工作原理

3.1 整體架構(gòu)與功能概述

UCC25800-Q1集成了開關(guān)功率級、控制和保護(hù)電路，通過隔離變壓器將固定輸入電壓轉(zhuǎn)換為隔離電壓源。其開環(huán)控制與LLC諧振轉(zhuǎn)換器操作相結(jié)合，使解決方案更加穩(wěn)健、尺寸更小、效率更高，同時降低了EMI和共模噪聲。

3.2 電源管理

VCC引腳為驅(qū)動器供電，當(dāng)VCC引腳電壓低于UVLO上升閾值時，VREG引腳的5V穩(wěn)壓器禁用；當(dāng)VCC超過該閾值時，5V穩(wěn)壓器啟用，DIS/FLT引腳通過內(nèi)部750μA電流源拉低。當(dāng)VREG超過4.5V時，DIS/FLT引腳釋放，若未被外部拉低，則通過內(nèi)部100kΩ上拉電阻升至VREG引腳電壓水平。當(dāng)DIS/FLT引腳電壓超過上升使能閾值時，內(nèi)部穩(wěn)壓器和參考源開啟，驅(qū)動器讀取OC/DT引腳的戴維南電阻以設(shè)置過流保護(hù)（OCP）閾值。若檢測到故障，驅(qū)動器激活DIS/FLT引腳的內(nèi)部下拉電流源，停止功率級開關(guān)并輸出故障代碼。

3.3 振蕩器

內(nèi)部振蕩器設(shè)置功率級的開關(guān)頻率，工作在50%占空比。RT引腳電壓設(shè)置振蕩器頻率，通過連接一個電阻到GND可設(shè)置開關(guān)頻率。若RT引腳開路或引腳電壓達(dá)到RTOPEN閾值或以上，功率級以默認(rèn)的1.2MHz開關(guān)頻率運(yùn)行；若RT引腳電壓低于150mV，則認(rèn)為RT引腳短路到地并觸發(fā)故障。為避免啟動過程中的過大電流應(yīng)力，驅(qū)動器集成了軟啟動功能，軟啟動時間固定為1.5ms。

3.4 外部同步

連接到SYNC引腳的外部信號可同步驅(qū)動器的開關(guān)頻率，在外部同步模式下，SW引腳的開關(guān)頻率為SYNC引腳信號頻率的一半。為確保輸出電壓在正常工作范圍內(nèi)，外部同步信號頻率的一半需在編程開關(guān)頻率的15%至30%（標(biāo)稱）范圍內(nèi)，且最小高低脈沖寬度為150ns。驅(qū)動器在1.5ms軟啟動時間內(nèi)忽略外部同步信號，軟啟動結(jié)束后，若外部同步信號頻率和脈沖寬度在指定范圍內(nèi)，開關(guān)節(jié)點(diǎn)由SYNC引腳信號驅(qū)動。

3.5 死區(qū)時間控制

3.5.1 自適應(yīng)死區(qū)時間

驅(qū)動器自動檢測開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓在每個MOSFET導(dǎo)通時間結(jié)束時向相反軌電壓擺動至1V以內(nèi)的死區(qū)時間。OC/DT引腳電壓可編程最大死區(qū)時間，即使在最大編程死區(qū)時間內(nèi)未檢測到SW引腳電壓越過閾值，內(nèi)部MOSFET也會在最大編程死區(qū)時間到期時開啟。

3.5.2 最大可編程死區(qū)時間

OC/DT引腳電壓設(shè)置死區(qū)時間的最大持續(xù)時間，自適應(yīng)死區(qū)時間未觸發(fā)內(nèi)部MOSFET開啟時，在最大死區(qū)時間到期時開啟。驅(qū)動器還將最大死區(qū)時間限制為開關(guān)周期的1/8，OC/DT引腳電壓與最大可編程死區(qū)時間的關(guān)系由特定公式確定。當(dāng)OC/DT引腳電壓超出一定范圍時，驅(qū)動器會觸發(fā)相應(yīng)保護(hù)并關(guān)閉。

3.6 保護(hù)功能

3.6.1 過流保護(hù)（OCP）

具有兩級過流保護(hù)。OCP1在每個開關(guān)周期內(nèi)，若低側(cè)MOSFET導(dǎo)通時間內(nèi)電流超過編程閾值 (I{OCP}) 持續(xù)2.1ms則觸發(fā)；OCP2在高側(cè)或低側(cè)MOSFET電流超過 (5 × I{OCP}) 持續(xù)100ns時觸發(fā)。OCP2閾值遠(yuǎn)高于OCP1，以應(yīng)對短時重負(fù)載浪涌或啟動時對大輸出電容器充電的情況。軟啟動期間，OCP1禁用，OCP2閾值固定為最大值5A；軟啟動后，OCP1啟用，OCP2閾值變?yōu)?(5 × I_{OCP}) 。OCP1過流定時器采用上下計數(shù)器實(shí)現(xiàn)，OCP2檢測有模擬濾波器過濾小于100ns的脈沖。驅(qū)動器在過流保護(hù)后有100ms的重啟時間。

3.6.2 輸入過壓保護(hù)（OVP）

若VCC引腳電壓超過過壓設(shè)定點(diǎn) (OV{SD}) 超過過壓消隱時間（典型值1.3μs），則觸發(fā)輸入過壓保護(hù)，停止開關(guān)，放電DIS/FLT引腳并禁用驅(qū)動器。重啟前，輸入電壓必須低于OVP恢復(fù)閾值 (OV{RS}) ，驅(qū)動器在100ms后嘗試重啟。

3.6.3 過溫保護(hù)（TSD）

當(dāng)結(jié)溫超過160°C（典型值）的TSD閾值時，激活故障模式，停止開關(guān)，放電DIS/FLT引腳并禁用驅(qū)動器。重啟前，結(jié)溫必須低于過溫保護(hù)恢復(fù)閾值（TSD - THYST）。

3.6.4 引腳故障保護(hù)

驅(qū)動器對引腳的開路和短路情況有明確的響應(yīng)機(jī)制，如SYNC引腳開路或短路僅影響同步功能，驅(qū)動器仍按RT引腳編程的開關(guān)頻率正常運(yùn)行；DIS/FLT引腳短路會使驅(qū)動器關(guān)閉等。

3.6.5 VREG引腳保護(hù)

VREG引腳是內(nèi)部線性穩(wěn)壓器輸出和大多數(shù)內(nèi)部電路的偏置引腳，配備兩組保護(hù)功能。當(dāng)VREG引腳開路時，內(nèi)部線性穩(wěn)壓器不穩(wěn)定，驅(qū)動器停止運(yùn)行并進(jìn)入鎖存關(guān)閉模式，需循環(huán)VCC清除保護(hù)；為防止VREG引腳過載，有過流保護(hù)，不同階段對VREG引腳電流有限制。

3.7 DIS/FLT引腳操作

DIS/FLT引腳是輸入/輸出引腳，可外部驅(qū)動以啟用或禁用驅(qū)動器，也可作為狀態(tài)標(biāo)志讀取驅(qū)動器是否處于故障模式及具體故障類型，默認(rèn)浮空時啟用驅(qū)動器。內(nèi)部通過100kΩ上拉電阻連接到VREG，驅(qū)動器進(jìn)入故障模式時，通過750μA電流源將該引腳拉低。若擔(dān)心噪聲耦合，可使用外部電阻將其拉高，為使該引腳能被讀取為故障輸出，不同外部電源電壓下推薦使用不同阻值的上拉電阻。當(dāng)驅(qū)動器進(jìn)入故障模式時，通過該引腳輸出故障代碼脈沖序列，脈沖數(shù)量表示具體故障類型。

3.8 設(shè)備功能模式

3.8.1 UVLO模式

當(dāng)VCC輸入電壓低于驅(qū)動器的UVLO閾值時，驅(qū)動器禁用，SW引腳無開關(guān)動作，VREG關(guān)閉。

3.8.2 軟啟動模式

VCC電壓高于UVLO閾值、所有故障清除且DIS/FLT引腳釋放后，轉(zhuǎn)換器進(jìn)入軟啟動模式，開關(guān)頻率逐漸降低以減少電流應(yīng)力，軟啟動時間為1.5ms，啟動或故障恢復(fù)時總是先進(jìn)入該模式。

3.8.3 正常運(yùn)行模式

大多數(shù)情況下，驅(qū)動器以固定開關(guān)頻率運(yùn)行，開關(guān)頻率由RT引腳電壓或外部同步信號決定。

3.8.4 禁用模式

當(dāng)DIS/FLT引腳被外部拉低時，驅(qū)動器進(jìn)入禁用模式，VREG引腳穩(wěn)壓，SW引腳保持關(guān)閉，VCC電流消耗降至禁用電流 (IVCC_{DIS}) 。

3.8.5 故障模式

當(dāng)出現(xiàn)各種故障條件時，驅(qū)動器進(jìn)入相應(yīng)故障模式，如過流、過溫、輸入過壓等。故障發(fā)生時，立即停止開關(guān)，DIS/FLT引腳內(nèi)部拉低，發(fā)送故障代碼后，驅(qū)動器電流消耗降至 (IVCC{DIS}) 。100ms延遲后，若DIS/FLT引腳未被外部拉低且越過 (EN{TH}) 閾值，驅(qū)動器啟用，再次檢查故障，若故障仍存在則重復(fù)故障和上電序列，直至所有故障清除。

4. 應(yīng)用設(shè)計要點(diǎn)

4.1 應(yīng)用信息與優(yōu)勢

隔離偏置電源在許多應(yīng)用中必不可少，基于UCC25800-Q1的開環(huán)LLC轉(zhuǎn)換器為這些應(yīng)用提供了可靠解決方案。它采用開環(huán)控制提高了抗噪能力，LLC拓?fù)淠茉谳^高開關(guān)頻率下實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，具有高效率、低EMI的特點(diǎn)，還能吸收變壓器漏感，減少系統(tǒng)級共模噪聲，簡化變壓器結(jié)構(gòu)并降低成本。

4.2 典型應(yīng)用示例

以汽車牽引逆變器或車載充電器為例，通常由12V電池產(chǎn)生穩(wěn)壓母線電壓，再通過隔離偏置電源為逆變器開關(guān)的柵極驅(qū)動器提供偏置電源。在逆變器應(yīng)用中，尤其是用于高側(cè)開關(guān)時，逆變器開關(guān)節(jié)點(diǎn)的高dv/dt會通過偏置電源變壓器耦合產(chǎn)生額外的EMI噪聲。而LLC拓?fù)淅米儔浩髀└凶鳛橹C振組件，可使用漏感較大但繞組間電容較小的變壓器，從而減少系統(tǒng)EMI噪聲挑戰(zhàn)。

4.3 LLC轉(zhuǎn)換器工作原理

與傳統(tǒng)PWM轉(zhuǎn)換器不同，LLC轉(zhuǎn)換器通過改變開關(guān)頻率來調(diào)節(jié)輸出電壓，屬于脈沖頻率調(diào)制（PFM）轉(zhuǎn)換器。它有三個諧振元件：諧振電感 (L{r}) 、磁化電感 (L{m}) 和諧振電容 (C_{r}) 。在隔離偏置電源設(shè)計中，變壓器漏感和磁化電感可作為諧振電路的一部分，此時唯一的外部諧振組件是諧振電容。在諧振開關(guān)頻率下，諧振槽路的阻抗為零，輸入和輸出電壓通過變壓器幾乎直接相連，轉(zhuǎn)換器增益等于變壓器匝數(shù)比。根據(jù)諧振電容的位置，LLC轉(zhuǎn)換器可配置為初級側(cè)諧振或次級側(cè)諧振，次級側(cè)諧振更適合開環(huán)LLC轉(zhuǎn)換器，且可將次級側(cè)全波整流器替換為倍壓整流器，簡化轉(zhuǎn)換器配置并減少二極管使用。

4.4 設(shè)計要求與詳細(xì)步驟

以一個2W牽引逆變器柵極驅(qū)動器偏置電源設(shè)計為例，詳細(xì)介紹設(shè)計過程。

4.4.1 變壓器匝數(shù)比選擇

由于隔離偏置電源采用開環(huán)控制，電壓精度難以達(dá)到1%，可使用后置調(diào)節(jié)器（如線性穩(wěn)壓器）實(shí)現(xiàn)1%的調(diào)節(jié)精度。在設(shè)計LLC轉(zhuǎn)換器輸出電壓時，需考慮后置調(diào)節(jié)器階段的余量。在諧振頻率和倍壓輸出的情況下，LLC轉(zhuǎn)換器電壓增益等于變壓器匝數(shù)比，根據(jù)輸入輸出電壓和相關(guān)參數(shù)可計算出變壓器匝數(shù)比。

4.4.2 計算變壓器伏秒額定值

根據(jù)輸入電壓和開關(guān)頻率可計算出變壓器初級側(cè)的伏秒額定值。

4.4.3 計算變壓器電流

在過流保護(hù)前，變壓器承受最高RMS電流。根據(jù)負(fù)載電流和相關(guān)波形，可計算出變壓器初級側(cè)和次級側(cè)的峰值和RMS電流。

4.4.4 選擇變壓器

為了最小化變壓器繞組間電容，推薦使用分隔式骨架變壓器。磁化電感的設(shè)計目標(biāo)可根據(jù)ZVS準(zhǔn)則和相關(guān)參數(shù)計算得出，根據(jù)計算結(jié)果選擇合適的變壓器。

4.4.5 選擇諧振電容

根據(jù)諧振頻率選擇諧振電容，推薦諧振槽路諧振頻率比開關(guān)頻率高10% - 15%。使用倍壓整流器時，每個諧振電容值應(yīng)為計算值的一半。

4.4.6 選擇輸出電容

根據(jù)輸出電壓紋波要求選擇輸出電容，設(shè)計時考慮電容ESR引起的電壓紋波余量。

4.4.7 選擇初級側(cè)直流阻斷電容

初級側(cè)半橋直流阻斷電容需比諧振電容大得多，推薦使用低ESR的X7R電容，取值在1μF至10μF之間。

4.4.8 設(shè)置RT引腳電阻

根據(jù)所需的開關(guān)頻率，可計算出RT引腳電阻值，選擇接近的標(biāo)準(zhǔn)電阻值。

4.4.9 設(shè)置OC/DT引腳電阻分壓器

OC/DT引腳是多功能引腳，可設(shè)置自適應(yīng)死區(qū)時間的最大死區(qū)時間和過流保護(hù)的OCP電平。根據(jù)開關(guān)周期確定最大死區(qū)時間，計算出OC/DT引腳電壓，再根據(jù)初級側(cè)峰值電流選擇合適的OCP設(shè)置，計算出上拉和下拉電阻值。

4.5 設(shè)計注意事項(xiàng)

在設(shè)計過程中，有一些需要注意的地方。例如，要確保VCC和GND之間有良好的去耦，最小化VCC - GND和去耦電容的環(huán)路；使用分隔式骨架變壓器以減少逆變器功率級的EMI噪聲耦合；根據(jù)設(shè)計負(fù)載設(shè)置OCP1電平；若無法滿足電壓調(diào)節(jié)要求，使用后置調(diào)節(jié)器；若輸出負(fù)載可能完全移除，在輸出端添加齊納鉗位；在成本允許的情況下，使用NP0或C0G類型的諧振電容，或使用電壓額定值遠(yuǎn)高于所需的X7R電容；在環(huán)境溫度高或功率水平高時，為熱管理提供足夠的銅面積。同時，要避免VCC - GND去耦電容走線過長，不要為所有設(shè)計都將OCP1設(shè)置為最高電平。

5. 電源供應(yīng)與布局建議

5.1 電源供應(yīng)

UCC25800-Q1驅(qū)動LLC轉(zhuǎn)換器以恒定開關(guān)頻率運(yùn)行，使其接近諧振頻率工作。為實(shí)現(xiàn)固定輸出電壓，輸入電壓需固定，輸入電壓的準(zhǔn)確性會影響輸出電壓的準(zhǔn)確性。當(dāng)輸入電壓接近9V時，建議使用足夠的輸入旁路電容，以確保負(fù)載瞬變不會使VCC電壓低于UVLO閾值。

5.2 布局

由于驅(qū)動器所需外部組件最少，布局相對簡單。主要考慮功率環(huán)路和接地，重要的布局準(zhǔn)則包括：最小化VCC - GND - 旁路電容環(huán)路，使用低ESL旁路電容；將所有控制信號通過單獨(dú)平面返回GND引腳，避免信號地和功率地共享路徑，用短走線連接GND引腳和散熱墊；分離功率級組件和信號組件以減少耦合；建議使用短的VREG - GND - 去耦電容環(huán)路，使用低ESL去耦電容確保內(nèi)部線性穩(wěn)壓器穩(wěn)定運(yùn)行；若需要，可在RT和DT/OC引腳添加去耦電容以提高抗噪能力；不使用外部同步時，將SYNC引腳短接到GND；最小化高di/dt電流環(huán)路和高dv/dt開關(guān)節(jié)點(diǎn)的銅面積；對于LLC轉(zhuǎn)換器的次級側(cè)，連接高dv/dt節(jié)點(diǎn)時，建議最小化次級側(cè)銅面積。

6. 總結(jié)

UCC25800-Q1超低EMI變壓器驅(qū)動器憑借其高效、低EMI、寬輸入電壓范圍、強(qiáng)大的保護(hù)功能和靈活的可編程特性，為汽車和工業(yè)領(lǐng)域的隔離偏置電源設(shè)計提供了優(yōu)秀的解決方案。在設(shè)計過程中，遵循相關(guān)的設(shè)計要點(diǎn)、電源供應(yīng)和布局建議，能夠充分發(fā)揮UCC25800-Q1的性能優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)高效、可靠的電源系統(tǒng)設(shè)計。電子工程師們在面對相關(guān)應(yīng)用時，不妨考慮UCC25800-Q1，為產(chǎn)品帶來更出色的性能表現(xiàn)。你在使用類似變壓器驅(qū)動器時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和想法。