基于UCC28700的8W初级侧稳压反激式电源设计方案

一、设计背景与需求分析

随着消费电子设备对电源适配器小型化、高效化及低待机功耗的需求日益增长，传统光耦反馈式反激电源因体积大、成本高及可靠性问题逐渐被初级侧稳压（PSR）技术取代。UCC28700作为德州仪器（TI）推出的高集成度PSR反激控制器，凭借其无需光耦、低待机功耗、高精度CV/CC调节及宽输入电压范围等优势，成为8W小功率电源适配器的理想选择。

本设计旨在实现一款输入范围90-265VAC、输出5V/1.6A（8W）的初级侧稳压反激电源，满足欧盟ErP Lot 6标准（待机功耗<75mW）及USB PD协议对恒压恒流精度的要求。设计核心目标包括：

1. 高效率：全负载范围内效率≥80%，空载功耗<30mW；

2. 高集成度：无需光耦，减少外围元件数量；

3. 低成本：采用通用元器件，优化BOM成本；

4. 高可靠性：具备过压、过流、短路保护及电磁兼容性（EMC）设计。

二、UCC28700核心特性分析

UCC28700是一款专为小功率反激电源设计的PSR控制器，其关键特性如下：

1. 初级侧稳压（PSR）技术

通过检测辅助绕组电压与初级电流峰值，实现输出电压/电流的闭环控制，无需光耦反馈。该技术可简化电路设计，减少元件数量，并提高系统可靠性。

2. 低待机功耗

支持<30mW的无负载功耗，满足5星能效标准。其低启动电流（1.5μA）与动态功耗管理技术，确保在轻载或空载时进入低功耗模式。

3. 高精度CV/CC调节

电压调节精度±5%，电流调节精度±8%，满足USB PD协议对输出精度的要求。通过可编程电缆补偿功能，可补偿输出线缆压降，提升负载调节率。

4. 准谐振谷底开关（QR）

在断续传导模式（DCM）下，控制器自动检测变压器磁芯复位后的谷底电压，实现软开关，降低开关损耗与EMI噪声。

5. 宽输入电压范围

支持85-305VAC输入，适用于全球通用输入电源适配器。

6. 保护功能

集成过压保护（OVP）、欠压锁定（UVLO）、过流保护（OCP）及短路保护（SCP），确保系统在异常工况下的安全性。

7. 专利EMI优化技术

采用频率抖动（Frequency Jittering）技术，将开关频率在130kHz基准值附近随机抖动，降低传导EMI峰值，简化EMC滤波器设计。

三、关键元器件选型与功能解析

1. 功率MOSFET：IPD60R180P7S（Infineon）

选型理由：

• 低导通电阻（Rds(on)）：180mΩ@Vgs=10V，降低导通损耗；

• 高雪崩能量（Eas）：支持变压器漏感引起的电压尖峰；

• 小封装（PQFN3x3）：适配高功率密度设计。

功能：
作为反激变换器的主开关管，承受变压器初级侧的高电压与大电流。通过UCC28700的DRV引脚驱动，实现高频开关动作。

2. 输出整流二极管：MBR1045CT（ON Semiconductor）

选型理由：

• 低正向压降（Vf）：0.52V@1A，降低导通损耗；

• 高浪涌电流能力：45A，适应启动瞬态冲击；

• 肖特基结构：反向恢复时间短，减少高频振荡。

功能：
将变压器次级绕组的交流电压整流为直流输出，为负载提供能量。

3. 输入EMI滤波器

元器件组成：

• X电容（C1）：0.47μF/275VAC（YAGEO），抑制差模干扰；

• 共模电感（L1）：10mH（TDK），抑制共模干扰；

• Y电容（C2, C3）：2200pF/250VAC（WIMA），连接L/N线与地，泄放共模噪声。

功能：
满足EN55032 Class B传导EMI标准，减少电源对电网的干扰。

4. 输出滤波电容（COUT）

选型：

• 电解电容：470μF/10V（Nichicon），提供低频纹波滤波；

• 陶瓷电容：22μF/16V（Murata），抑制高频噪声。

功能：
平滑输出电压，降低纹波至<150mV。

5. 反馈网络电阻（RS1, RS2）

选型：

• RS1：100kΩ/1%（Vishay），高精度电阻，设定输出电压；

• RS2：10kΩ/1%（Vishay），与RS1分压，反馈至UCC28700的CS引脚。

功能：
通过分压比设定输出电压（Vout=0.6V×(RS1+RS2)/RS2），实现CV调节。

6. 电缆补偿电阻（RCBC）

选型：

• 可调电阻：10kΩ多圈电位器（Bourns），或固定电阻（如4.7kΩ）。

功能：
补偿输出线缆压降，提升负载调节率。例如，当输出电流为1.6A时，若线缆电阻为0.2Ω，则需补偿0.32V压降，可通过RCBC调整反馈电压阈值。

7. 启动电阻（RSTR）

选型：

• 高压电阻：1.5MΩ/1W（YAGEO），限制启动电流。

功能：
在电源启动时，通过RSTR对VDD电容充电，当VDD电压超过UVLO开启阈值（16V）时，UCC28700开始工作。

8. VDD旁路电容（CDD）

选型：

• 陶瓷电容：4.7μF/50V（Murata），X7R材质，低ESR。

功能：
为UCC28700提供稳定的电源电压，并吸收开关噪声。

9. 变压器（T1）

设计参数：

• 初级电感（Lp）：470μH；

• 匝比（Np:Ns:Na）：40:8:4（Na为辅助绕组匝数）；

• 磁芯：EE16（TDK），气隙0.1mm，避免饱和。

功能：
实现电压变换与电气隔离，同时通过辅助绕组为UCC28700供电及反馈输出信息。

四、电路设计与工作原理

1. 主电路拓扑

采用反激式拓扑，由输入EMI滤波器、整流桥、功率MOSFET、变压器、输出整流二极管及滤波电容组成。UCC28700通过检测辅助绕组电压与初级电流峰值，实现PSR控制。

2. 启动过程

1. 交流输入经整流桥与输入电容（CIN）转换为高压直流（约127-375VDC）；

2. 启动电流通过RSTR对CDD充电，当VDD电压超过16V时，UCC28700开始工作；

3. 控制器驱动MOSFET开通，变压器初级储能；

4. MOSFET关断后，能量通过次级绕组释放至输出端。

3. 稳态工作

• CV模式：当输出电压升高时，辅助绕组电压随之升高，通过RS1/RS2分压反馈至CS引脚，UCC28700降低开关频率，减少能量传输；

• CC模式：当输出电流增加时，初级电流峰值增大，UCC28700通过检测CS引脚电压，提前关断MOSFET，限制输出电流；

• 谷底开关：在DCM模式下，控制器检测变压器磁芯复位后的谷底电压，实现软开关，降低EMI与开关损耗。

4. 保护功能

• OVP：当输出电压超过设定值时，UCC28700关断输出；

• OCP：当初级电流峰值超过阈值时，控制器限制占空比或关断输出；

• SCP：当输出短路时，控制器进入打嗝模式，周期性重启以避免过热。

五、性能测试与优化

1. 效率测试

在230VAC输入、满载（5V/1.6A）条件下，测得效率为82.3%；在115VAC输入、半载（5V/0.8A）条件下，效率为80.1%。

2. 待机功耗测试

在无负载条件下，测得待机功耗为28mW，满足5星能效标准。

3. EMI测试

通过优化输入EMI滤波器参数，传导EMI余量>6dB，满足EN55032 Class B标准。

4. 热性能测试

在25℃环境温度下，满载运行时MOSFET壳温为85℃，变压器温升为60℃，满足长期可靠性要求。

六、设计总结与优化方向

1. 设计总结

本设计基于UCC28700的PSR技术，实现了8W小功率电源适配器的高效化、小型化与低成本化。通过合理选型与优化设计，满足了高效率、低待机功耗及高可靠性的要求。

2. 优化方向

• 进一步降低待机功耗：采用更低Rds(on)的MOSFET与更小的VDD电容；

• 提升EMI性能：优化PCB布局，减少高频环路面积；

• 增加功能扩展性：集成USB PD协议芯片，实现多电压输出。

七、关键元器件清单（BOM）