UCC28950移相全桥设计指南

一、概述与背景

UCC28950是德州仪器（Texas Instruments）推出的一款高性能、全数字控制的移相全桥PWM控制器，其主要用于中高功率的直流变换器设计，特别适合应用于通信电源、服务器电源、电动汽车充电系统和工业控制系统中。这种控制器通过移相技术实现ZVS（零电压开关）控制，大大降低了开关损耗，并提高了系统的效率和可靠性。在现代电源系统中，效率和密度成为衡量优劣的重要指标，而UCC28950在这两个方面都具有明显优势。

传统的硬开关全桥在高频工作时会面临较大的开关损耗和电磁干扰，而UCC28950通过采用相移控制技术，可在全负载范围内实现主开关的ZVS，从而大幅度降低MOSFET的切换损耗。这种控制方式还能在一定程度上抵抗电压尖峰和负载扰动，适合高可靠性场合。

本文将围绕UCC28950的结构特性、控制策略、关键参数设定、电路设计原则、磁性元件选择、环路补偿设计以及PCB布板建议等多个方面展开详细介绍，并辅以实例讲解，以帮助设计人员全面掌握移相全桥电源的设计要点。

二、UCC28950芯片主要特性介绍

UCC28950具有许多优秀的功能，使其在移相全桥控制器领域中表现出众。以下列出该芯片的主要功能和技术参数：

主要功能与参数列表：

• 工作电压范围：11V～17V

• 输出占空比：0%~100%

• 工作频率范围：最大1MHz，推荐100kHz～300kHz

• 内置软启动、过压、欠压、过流保护

• 四路驱动输出，支持同步整流

• 内置主动钳位功能，支持外部斜率补偿

• 支持外部电流环控制，具备电压模式和电流模式双模式兼容能力

• 可配置的死区时间，确保ZVS实现

• 内建斜坡补偿电路，提高系统稳定性

• 支持脉冲跳跃模式（Burst Mode）以提高轻载效率

• 辅助电源UVLO保护机制

三、移相全桥拓扑原理与UCC28950工作机制

移相全桥是以全桥结构为基础的高效DC-DC变换电路，工作原理基于高频PWM控制下的四开关桥式结构。UCC28950通过控制桥臂之间的导通时间差实现能量调节，与传统的PWM占空比控制不同，它通过桥臂的相对相位偏移角度来控制功率传输。

UCC28950控制四个主开关：A、B、C、D分别控制高低桥臂的通断，通过移相角的调节来控制能量传输量。主要特征在于高频的主桥开关可以实现零电压开关，在关断前的能量由副边漏感和寄生电容吸收，在开通时几乎无电压，从而极大地减少了开关损耗。

芯片还支持两个同步整流驱动通道（SR1、SR2），用于驱动副边的同步整流MOSFET，从而进一步提高效率。同步整流可以用在高输出电流应用中，替代肖特基二极管，降低导通损耗。

移相全桥的一个关键优势是能够在较高开关频率下仍然保持较低的损耗，因此UCC28950特别适合用在100W~1KW范围内的中高功率隔离电源中。

四、设计目标与参数选择流程

设计一个基于UCC28950的移相全桥电源系统通常需要确定以下关键指标：输入电压范围、输出电压、最大输出电流、效率目标、工作频率、变压器规格、MOSFET耐压和电流能力、磁性元件尺寸等。

常见设计目标设置步骤如下：

1. 明确输入电压范围（如：380V DC，典型的PFC后总线电压）

2. 设定输出电压（如12V，24V，48V等）

3. 计算最大输出功率与电流（如500W，输出电流=500W/12V=41.6A）

4. 选择工作频率（推荐100~300kHz）

5. 确定变压器匝比，依据Vin_min和Vout

6. 确定MOSFET和整流器规格

7. 初步计算并设计变压器与输出电感

8. 确定控制环路补偿参数

五、典型电路框图与信号流程分析

UCC28950典型应用电路由以下几个部分组成：输入电压滤波与缓启动电路、全桥主功率级、隔离式驱动器或栅极变压器、同步整流驱动、输出滤波电路、反馈与环路补偿网络、辅助电源系统等。

输入端通过整流与PFC产生稳定的高压直流母线。此电压通过全桥变换器转换为高频的交流电压，送入隔离变压器。在副边，通过同步整流MOSFET或肖特基二极管整流后，经由LC滤波形成稳定的输出电压。

反馈信号（通常是输出电压采样）经分压器与误差放大器（TL431等）处理，通过光耦反馈给UCC28950的VSENSE管脚，调节PWM移相角度以控制输出稳定。

控制信号从UCC28950产生的PWM信号送入驱动器，再控制主桥MOSFET的导通。芯片内建的死区时间（通过DEL1~DEL4设定）可避免桥臂短路并确保ZVS切换。

六、关键外部器件设计与计算

在UCC28950系统中，外部关键器件包括变压器、MOSFET、输出电感、输入滤波器、电流采样电阻、斜率补偿网络等。以下对主要部分进行详细设计说明。

1. 变压器设计：
变压器是系统中的核心元件，必须保证磁芯不过饱和、漏感合适、匝比匹配、绝缘可靠。选型时需关注以下几个参数：

• 匝比：由输出电压与输入电压决定，一般按最小输入电压进行设计

• 漏感：过大会影响ZVS，过小则影响电流升降斜率，通常通过副边绕组位置优化实现

• 铁芯材料：高频铁氧体如PC44、N87为常见选择

• 安规要求：需满足隔离等级，如加强绝缘需耐压3000V以上

2. 主功率MOSFET选型：
全桥四个MOSFET需满足以下条件：

• Vds > 1.3 × Vin_max

• Rds(on)尽可能低，减小导通损耗

• Qg（栅极电荷）适中，便于驱动

• 具备较好的耐热与封装散热特性，如TO-247或D2PAK

3. 输出电感设计：
输出电感用于平滑整流后的输出电流，其设计需根据最大电流和最大允许电流纹波（通常为20%-30%）来确定感值。电感也需满足饱和电流和温升要求。

4. 电流采样网络：
UCC28950支持电流环控制（Peak或Average模式），常用采样方法为在主桥MOSFET低桥臂串联一个电阻，通过一个差分放大器回送电流信号到CS管脚，实现过流保护与电流环控制。

5. 软启动与定时电路：
通过连接到SS/EN引脚的电容设定启动时间。启动期间控制器限制PWM输出占空比，逐渐提高输出，防止冲击电流。RT引脚设置振荡频率，通常通过精密电阻设置工作频率。

七、闭环控制与环路补偿设计

UCC28950支持电压模式与电流模式控制，电压环需要构建误差放大器和反馈网络来实现输出调节。TL431通常与光耦配合形成反馈闭环，反馈信号输入到UCC28950的VSENSE引脚。

误差放大器的输出与斜率补偿电压叠加后用于PWM调制。在电流模式下，通过采样电流与误差电压比较生成PWM输出。稳定性设计要求对环路进行Bode图分析，确保足够的相位裕度（>45度）和增益裕度（>10dB）。

补偿网络采用典型的Type II或Type III结构，根据系统的输出LC滤波器参数进行调节，以优化动态响应和抑制干扰。

八、同步整流控制与优化方法

UCC28950内置同步整流控制逻辑，SR1和SR2输出驱动副边MOSFET。适当设置TMIN、TMAX、DLYSR等参数可以控制同步整流的导通时序，确保MOSFET在实际导通时段内工作，避免反向电流导致损耗。

同步整流需关注以下事项：

• MOSFET需具备低导通阻抗

• 应配置合适的死区时间防止跨导通

• 驱动器布局应紧凑，减少寄生电感

九、PCB布局建议与EMI控制技巧

高性能移相全桥电源对PCB布局有较高要求。布局中应重点关注大电流路径、驱动路径、反馈路径的合理性与隔离。以下是一些布局建议：

PCB布线建议清单：

• 开关节点面积要最小化，减少EMI辐射

• 栅极驱动信号应短、粗、避开高频回路

• 电流采样路径应远离高频变压器

• 控制回路与功率部分应分区布局，参考地应单点连接

• 输出滤波电容布置应紧贴输出端，减少纹波电压

• 驱动器应靠近MOSFET，避免驱动信号失真

• 采用多层板设计，提供良好接地和散热通道

十、仿真与测试验证过程

在完成电路设计和PCB布板后，需进行多项功能测试，包括启动特性、空载/满载测试、瞬态响应测试、效率测试、热分析、ZVS波形确认等。

推荐使用示波器观察主MOSFET的Vds和Vgs波形，确认是否实现ZVS；使用电子负载进行稳态与瞬态响应验证；使用热成像仪检查功率元件的温升情况，确保安全运行。

仿真工具如TI的PSPICE、LTspice或Simplis可用于提前验证控制逻辑、功率波形、谐振特性等，有效降低实际调试风险。

十一、应用案例与工程实践分享

在多个领域中，UCC28950已广泛应用。以某通信电源为例，其输入为380V直流，输出为12V/40A，使用UCC28950控制MOS全桥，副边采用同步整流。在该设计中通过多点反馈、负载共享技术和数字控制协同，实现了高效率（>94%）与良好动态性能。

实践中常见的问题包括MOSFET过热、ZVS失败、同步整流误触发等。解决这类问题需综合考虑磁元件设计、控制参数配置、PCB布线以及测试调试策略。

十二、UCC28950在多路输出与并联工作场景中的设计要点

在高端通信设备、电源模块化设计以及数据中心供电系统中，常常需要将一组主电源同时为多个负载提供不同电压或者电流等级的输出。此外，在高功率应用中，为提升总输出功率和可靠性，也需要多模块并联输出的方案。UCC28950移相全桥控制器具备丰富的控制特性和强大的驱动能力，其在多路输出与并联工作中具备良好适配性与设计灵活性。以下从两方面详细展开分析。

首先是多路输出系统的设计考虑。UCC28950本身为单输出控制器，但通过合理设计输出端的同步整流部分、次级变压器绕组拓扑，以及后级的DC-DC变换器，可以扩展出多种输出通道。常见方式是采用多绕组变压器配合多个整流及稳压通道来实现，例如在通信电源中，同时提供+12V、+5V与+3.3V的三路独立电压输出。在这种架构中，UCC28950仍作为主控器控制初级桥臂与输出PWM波形，但其反馈信号需从主输出（如12V）采样，或采用多通道误差放大器进行综合反馈控制，从而提升整体稳压精度。多路输出的关键设计参数包括次级绕组匝比选择、耦合控制、交叉调制抑制、互感影响与热分布管理。此外，不同输出电压的启动顺序（power sequencing）也需通过外部逻辑或时序控制电路协调实现，避免负载异常或上电顺序错误导致系统不稳定。

其次，在多模块并联输出设计方面，UCC28950具备多种有利特性来支持均流与同步控制，适合用于N+1冗余电源或并联供电系统。在传统并联方案中，为防止某一路输出电源过载，需对各并联模块输出电流进行动态均流控制（Current Sharing）。常见方法包括“主动均流”（Active Current Sharing）与“母线电压调节式均流”（Droop Sharing）。UCC28950可以配合外部的均流控制器（如UCC39002或UCC2808等）来实现电流检测、误差放大与调节控制逻辑，其控制环路易于与并联均流电路解耦或耦合。此外，UCC28950的电压环路和电流环路参数可通过外部组件灵活设定，使其在多模块协同控制中具备更高的相位裕度与响应一致性。

为了在并联系统中获得良好的热分布和稳定性设计，PCB布线与电流取样点的匹配尤为关键。建议使用Kelvin连接检测每个模块的输出电流，并采用集中式总线采样反馈控制器统一调节。此外，可在主模块中配置主从同步逻辑或同步时钟（Clock Synchronization）机制，使所有UCC28950控制器的驱动PWM信号相位同步，避免异步开关产生电磁干扰（EMI）或电源环流问题。

在一些更高级的并联应用中，还可考虑使用数字均流总线（如PMBus或I²C）将多个UCC28950模块的数据集中管理，从而实现数字化控制与远程配置功能。虽然UCC28950本身不支持数字通讯接口，但可配合数字监控芯片（如UCD90120）构建智能化供电平台。

总的来说，在多路输出与多模块并联应用中，UCC28950以其高效率、精准移相控制与丰富的外部控制接口，成为一种非常适合高可靠性工业与通信电源设计的控制器选择。设计者在实施这类复杂系统方案时，需重点关注反馈控制逻辑、同步协调机制、均流精度与热设计等关键细节，以实现可靠、安全、高性能的供电系统。

十三、UCC28950的电磁兼容性（EMI）设计与优化方法

在高频开关电源设计中，电磁干扰（EMI）问题是一个无法回避的重要工程挑战，特别是在使用UCC28950这类高频率移相全桥控制器时，由于其开关频率通常在100kHz至300kHz之间，且采用主动整流、快速开通关断MOSFET等措施以追求更高效率，因此更容易引发强烈的传导与辐射干扰问题。设计者若不在EMI控制方面加以系统性的优化，极有可能造成电源模块无法通过相关的EMC测试标准，如CISPR 22、EN 55032、FCC Part 15等。

首先需要重点关注的是开关节点的dV/dt与dI/dt控制。UCC28950由于具有可调的死区时间（Dead Time）和软开关能力，使其在降低开关应力与减小EMI方面具有天然优势，但这仍需在PCB布局与器件选型中合理配合。在实际设计中，应优先选用低寄生参数的MOSFET，并尽可能将开关节点面积最小化。控制器驱动的HS和LS信号线应尽量短且贴近地平面铺设，以减少环路面积，从而降低差模干扰。此外，谐振回路中的寄生电感控制同样重要，推荐在驱动变压器与整流端使用磁珠或共模电感滤波器，以滤除高频尖峰。

其次是输入输出滤波器的设计，这是EMI设计中最直接也是最有效的措施之一。在UCC28950构建的移相全桥结构中，输入端常采用π型滤波器结构（由共模电感、差模电感与Y/X电容组成），输出端根据负载特性选择LC低通滤波器或多级RC阻尼结构。在输入滤波器设计中，需注意阻抗匹配原则，避免产生滤波器与电源之间的谐振，同时采用陶瓷电容与薄膜电容组合提升高频滤波能力。此外，针对共模噪声，适当选择大感量的共模扼流圈，并优先放置在靠近DC输入端位置，防止噪声回传至前级系统或电网。输出滤波器设计要充分考虑载流能力及电感饱和问题，同时通过Snubber吸收电路抑制整流器两端的尖峰干扰。

在PCB设计阶段，布线布局的电磁兼容优化尤为关键。以UCC28950为核心的控制电路应单独形成干净的模拟地与数字地（AGND与DGND），并在一个点（如控制器芯片的PGND引脚附近）进行单点接地处理，避免电流环路交叉耦合。开关桥臂部分应以最短路径连接MOSFET，驱动信号线应避免与高压节点平行走线，建议在驱动层与开关层之间添加接地隔离层以降低电场耦合。同步整流驱动信号应走内层或单独通道，避免形成闭环磁通路径。同时，布板时要避免存在开口地面或大面积“天线效应”的孤岛铜皮。

另一个不容忽视的要点是驱动信号完整性与门极电阻匹配问题。UCC28950驱动能力较强，且具备可调死区时间，但MOSFET的门极电容大小与布线电感组合起来可能形成振荡回路，造成门极尖峰电压、EMI增大甚至损伤器件。建议对每个MOSFET使用合适的栅极串联电阻（通常在5–15Ω），并根据仿真结果或示波器测量微调，以获得平衡的上升/下降沿与开关损耗之间的折中。同时，也可在门极-源极之间并联TVS管或肖特基钳位，保护芯片驱动端免受尖峰电压干扰。

另外，在一些对EMI要求极高的环境中，如医疗设备或航空航天应用，推荐使用屏蔽与接地外壳技术。在UCC28950方案中可对整流桥、驱动变压器、EMI滤波器、控制芯片部分加装金属屏蔽罩，并确保通过金属壳可靠接地，从而显著降低电磁辐射干扰。此外，变压器绕组也可采用屏蔽绕组（如静电屏蔽层或Faraday屏蔽层）将高频耦合信号引向接地点，避免次级耦合杂散信号至输出或控制板。

值得一提的是，设计阶段应积极运用仿真工具与EMI频谱分析仪器进行验证。可使用如LTspice、Simplis或PSpice等软件对开关电路中的瞬态行为、共模电流路径进行建模分析，提前发现高频噪声源头。实测阶段，建议使用LISN线路阻抗稳定网络配合频谱分析仪检测传导干扰，并通过远场天线在电波暗室检测辐射干扰，及时采取优化措施，如调整布局、增加吸收器件或更换滤波元件。

综合来看，UCC28950本身具备一定的软开关特性，是有利于EMI控制的控制器芯片，但良好的EMI表现仍需依赖设计人员在器件选择、滤波设计、布局布线及系统级验证等多个维度精细化控制。只有在这些方面全面优化，才能确保移相全桥电源系统在稳定运行、高效率输出的同时，符合工业级甚至军用级的电磁兼容标准，保障系统安全、环境友好与合规性。

结语

UCC28950作为一款高性能的移相全桥PWM控制器，在设计中提供了灵活的控制选项与丰富的保护功能，为工程师开发高效率、高功率密度的隔离DC-DC变换器提供了有力的工具。掌握其工作原理、设计要点及调试方法，可以帮助设计者更高效地完成电源系统的开发任务。

通过本设计指南，读者可以全面了解UCC28950的内部机制、电路设计方法、器件选型、控制策略和实战应用，从而在工业级、高可靠性的应用中构建性能卓越的移相全桥电源系统。