5V輸入、可變輸出、20A高效同步降壓轉(zhuǎn)換器UCC27222的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，高效同步降壓轉(zhuǎn)換器的需求日益增長(zhǎng)。本文將詳細(xì)介紹基于UCC27222的一款5V輸入、可變輸出、20A高效同步降壓轉(zhuǎn)換器，包括其性能特點(diǎn)、電路設(shè)計(jì)、測(cè)試方法和相關(guān)技術(shù)等內(nèi)容。

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一、UCC27222EVM - 001概述

UCC27222EVM - 001評(píng)估模塊是一款高效同步降壓轉(zhuǎn)換器，能在5V輸入下提供0.9V至1.8V可變輸出，輸出電流達(dá)20A。它可直接從5V啟動(dòng)，無(wú)需額外偏置電壓。該模塊采用UCC27222高效預(yù)測(cè)同步降壓驅(qū)動(dòng)器和UCC3803低功耗BiCMOS電流模式PWM控制器，展示了預(yù)測(cè)柵極驅(qū)動(dòng)（PGD）技術(shù)。運(yùn)用了TI的多種先進(jìn)設(shè)計(jì)和封裝技術(shù)，使降壓轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了盡可能高的效率。在電壓模式控制下，它以500kHz的頻率運(yùn)行，峰值效率可達(dá)92%，當(dāng)輸出電壓(V_{OUT}=1.8V)時(shí)，滿載效率略高于85%。

二、UCC27222特點(diǎn)

2.1 預(yù)測(cè)柵極驅(qū)動(dòng)技術(shù)

UCC27222是業(yè)界首個(gè)且唯一包含預(yù)測(cè)柵極驅(qū)動(dòng)（PGD）控制技術(shù)的同步降壓驅(qū)動(dòng)器。PGD技術(shù)是TI的專(zhuān)利控制技術(shù)，能幾乎消除體二極管導(dǎo)通，同時(shí)最小化同步整流器中的反向恢復(fù)損耗，相比自適應(yīng)延遲控制或固定延遲等競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)，可顯著提高同步整流器的開(kāi)關(guān)效率。

2.2 TrueDrive混合輸出技術(shù)

UCC27222的3A驅(qū)動(dòng)級(jí)采用了TI獨(dú)特的TrueDrive混合雙極/CMOS輸出技術(shù)。這種混合架構(gòu)由混合雙極MOS并行輸出級(jí)組成，能在MOSFET米勒平臺(tái)區(qū)域提供最大的驅(qū)動(dòng)電流，實(shí)現(xiàn)極快的上升和下降時(shí)間。

2.3 熱增強(qiáng)封裝

UCC27222采用TI的14引腳PowerPAD封裝，這是一種熱增強(qiáng)型標(biāo)準(zhǔn)器件封裝，與類(lèi)似標(biāo)準(zhǔn)器件封裝相比，功率耗散提高了3至5倍。其結(jié)到外殼的熱阻僅為2°C/W，無(wú)需額外的散熱片，可在較低的結(jié)溫下工作，提高了組件的可靠性。

三、應(yīng)用與特性

3.1 應(yīng)用領(lǐng)域

適用于非隔離5V輸入系統(tǒng)，這些系統(tǒng)需要高效和高功率密度，用于極低輸出電壓、高電流轉(zhuǎn)換應(yīng)用，包括處理器電源、通用計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)通信、電信以及從中間總線電壓進(jìn)行負(fù)載點(diǎn)DC/DC轉(zhuǎn)換等。

3.2 特性

• 高效率：使用UCC27222和預(yù)測(cè)柵極驅(qū)動(dòng)技術(shù)，峰值效率可達(dá)92%。
• 輸入輸出范圍：典型輸入電壓為5V（4.5V < (V_{IN}) < 5.5V），輸出電壓在0.9V至1.8V之間可變，輸出電流為20A DC。
• 高頻運(yùn)行：工作頻率為500kHz。
• PWM控制：采用UCC3803 PWM控制，啟動(dòng)電壓低至4.1V。
• 同步整流器：上下同步整流器使用單個(gè)SO - 8 MOSFET。
• 緊湊設(shè)計(jì)：尺寸緊湊、低輪廓、表面貼裝設(shè)計(jì)（2.4” x 2.1” x 0.4”）。
• 快速響應(yīng)：具有高達(dá)100kHz的環(huán)路增益帶寬，可實(shí)現(xiàn)非?？焖俚乃矐B(tài)響應(yīng)。
• PCB布局：雙面PCB，功率級(jí)和器件都在頂層。
• 波形探測(cè)：提供方便的示波器插孔，用于探測(cè)預(yù)測(cè)柵極驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵波形。

四、電氣性能規(guī)格

4.1 輸入特性

輸入電壓范圍為4.75V至5.50V，最大輸入電流隨輸出電壓變化，空載輸入電流在不同輸出電壓下也有所不同。

4.2 輸出特性

輸出電壓可在0.9V至1.8V之間調(diào)節(jié)，具有良好的電壓調(diào)節(jié)能力，包括線路調(diào)節(jié)和負(fù)載調(diào)節(jié)，輸出電壓紋波在不同輸出電壓和負(fù)載電流下有相應(yīng)的規(guī)格。輸出負(fù)載電流范圍為0A至20A，有輸出過(guò)流和電流限制功能。

4.3 控制環(huán)路特性

開(kāi)關(guān)頻率在450kHz至550kHz之間，相位裕度在30°至60°之間。

4.4 效率

峰值效率在不同輸出電壓和負(fù)載電流下有所不同，滿載效率也隨輸出電壓變化。

五、電路設(shè)計(jì)

5.1 原理圖

UCC27222EVM - 001的原理圖中，J5為5V輸入電壓源連接器，J7為0.9V至1.8V可變輸出電壓的輸出和返回端。U1是UCC27222，搭配必要的分立電路實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行。Q2和Q3根據(jù)(R_{DS(on)})、柵極電荷特性和輸入電壓要求進(jìn)行優(yōu)化選擇，同步整流器Q3具有良好的dv/dt魯棒性。示波器插孔J2和J3可測(cè)量同步整流器MOSFET Q3和上控制MOSFET Q2的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，J4可方便地測(cè)量Q3的漏源電壓（開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)），J1可探測(cè)UCC3803的輸出。

5.2 輸出電壓調(diào)節(jié)

通過(guò)調(diào)節(jié)電位器R11的電阻值，可將輸出電壓調(diào)節(jié)在0.9V至1.8V之間。R10是與R11串聯(lián)的固定11kΩ電阻，當(dāng)R11設(shè)置為0Ω時(shí)，輸出電壓調(diào)節(jié)為0.9V；當(dāng)R11設(shè)置為最大值（50kΩ）時(shí)，輸出電壓調(diào)節(jié)為1.8V。

5.3 輸出電感選擇

輸出電感L1為0.6μH、20A的電感，但不同制造商的產(chǎn)品在直流繞組電阻上可能存在顯著差異，這可能導(dǎo)致效率有高達(dá)1%的增減。因此，在設(shè)計(jì)高電流輸出級(jí)時(shí)，應(yīng)仔細(xì)選擇合適的輸出電感。

六、測(cè)試設(shè)置

6.1 輸出負(fù)載

使用可編程電子負(fù)載，設(shè)置為恒流模式，能夠吸收0A至20A的電流。建議使用直流電壓表直接在TP1和TP2端子測(cè)量輸出電壓，以減少測(cè)量誤差。

6.2 直流輸入源

輸入電壓應(yīng)為可變直流源，能夠提供0V至6V的電壓，電流不小于10A，并連接到J5。為保護(hù)EVM，建議將源電流限制在不超過(guò)9A。在VIN和J5之間插入直流電流表A1進(jìn)行電流監(jiān)測(cè)。

6.3 網(wǎng)絡(luò)分析儀

可直接連接到TP3和TP4，UCC27222EVM - 001在輸出和電壓反饋之間提供了一個(gè)51.1Ω的電阻（R14），便于非侵入式測(cè)量控制到輸出的環(huán)路響應(yīng)。

6.4 推薦線規(guī)

輸入源與EVM的J5之間的連接，建議使用AWG #18線，總長(zhǎng)度小于8英尺；EVM的J7與負(fù)載之間的連接，建議使用AWG #16線，總長(zhǎng)度小于8英尺。

6.5 示波器探頭測(cè)試插孔

J1、J2、J3、J4和J6可用于準(zhǔn)確探測(cè)和測(cè)量高速、對(duì)噪聲敏感的信號(hào)，如柵極驅(qū)動(dòng)電壓、開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓和輸出電壓紋波。由于相關(guān)波形在10ns窗口內(nèi)抖動(dòng)，使用普通示波器探頭的尾線接地可能導(dǎo)致測(cè)量不可靠。

6.6 風(fēng)扇

由于功率轉(zhuǎn)換器的組件在接近60°C時(shí)可能會(huì)發(fā)熱，建議使用一個(gè)能夠提供200 - 400 LFM風(fēng)量的小風(fēng)扇，在負(fù)載電流達(dá)到或超過(guò)最大額定負(fù)載電流的50%時(shí)降低組件溫度。

七、上電/下電測(cè)試程序

7.1 準(zhǔn)備工作

在ESD工作站工作，確保連接好腕帶、靴帶或墊子，將用戶接地。穿戴靜電防護(hù)服和安全眼鏡。

7.2 連接設(shè)備

• 限制輸入源電流至最大9A，在VIN和J5之間連接電流表A1，將VIN初始設(shè)置為0V。
• 將負(fù)載LOAD1連接到J7，并將其設(shè)置為恒流模式，吸收0A電流。
• 將電壓表V2連接到TP1和TP2。

7.3 上電測(cè)試

• 將VIN從0V增加到5V，同時(shí)監(jiān)測(cè)V2上的輸出電壓，當(dāng)(V_{IN}>4.1V)時(shí)，輸出電壓應(yīng)處于調(diào)節(jié)狀態(tài)。
• 在0A至20A之間調(diào)節(jié)負(fù)載電流，當(dāng)負(fù)載超過(guò)10A時(shí)，打開(kāi)風(fēng)扇直接吹向EVM。
• 在4.5V至5.5V之間調(diào)節(jié)輸入電壓。
• 調(diào)節(jié)VOUT - Adjust電位器，驗(yàn)證輸出電壓是否相應(yīng)變化。

7.4 下電操作

關(guān)閉電子負(fù)載，然后關(guān)閉VIN。

八、預(yù)測(cè)柵極驅(qū)動(dòng)技術(shù)

8.1 效率提升

PGD技術(shù)在高頻和低輸出電壓下的優(yōu)勢(shì)更為明顯。與未采用PGD技術(shù)的類(lèi)似同步降壓轉(zhuǎn)換器相比，UCC27222EVM - 001可顯著減少同步整流器的體二極管導(dǎo)通時(shí)間，從而節(jié)省功率損耗。在500kHz的工作頻率下，當(dāng)輸出電壓小于1.2V時(shí)，整體轉(zhuǎn)換器效率可提高4%；在1.2V < (V{OUT}) < 1.6V時(shí)，效率可提高3% - 4%；在1.6V < (V{OUT}) < 1.8V時(shí)，效率提高略小于3%。

8.2 實(shí)際波形

通過(guò)示波器探頭插入J2和J3，可觀察到Q2和Q3的互補(bǔ)柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，其具有極快的上升和下降時(shí)間，且Q3關(guān)斷和Q2導(dǎo)通之間的延遲極小。開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓波形上的振鈴是由組件封裝電感和UCC27222驅(qū)動(dòng)器件與高速開(kāi)關(guān)MOSFET之間的寄生電感引起的，而PGD技術(shù)可最小化體二極管導(dǎo)通。

九、性能數(shù)據(jù)與特性曲線

文檔中提供了各種性能數(shù)據(jù)和特性曲線，包括輸出紋波電壓、PGD啟動(dòng)閾值等，這些數(shù)據(jù)有助于工程師深入了解UCC27222EVM - 001的性能特點(diǎn)。

十、EVM組裝圖與布局

EVM采用四層PCB設(shè)計(jì)，頂層和底層用于信號(hào)走線和組件放置，中間有一個(gè)內(nèi)部接地層。PCB尺寸為2.1” x 2.4”，設(shè)計(jì)目標(biāo)是使所有組件的高度小于0.5”。所有組件均為標(biāo)準(zhǔn)的表面貼裝組件，分布在PCB的兩側(cè)。

十一、材料清單

文檔提供了UCC27222EVM - 001的詳細(xì)材料清單，包括電容、電阻、二極管、MOSFET、IC等組件的規(guī)格和型號(hào)。

綜上所述，UCC27222EVM - 001是一款性能優(yōu)異的高效同步降壓轉(zhuǎn)換器，通過(guò)采用預(yù)測(cè)柵極驅(qū)動(dòng)技術(shù)和多種先進(jìn)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了高轉(zhuǎn)換效率和良好的性能表現(xiàn)。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師可根據(jù)具體需求進(jìn)行合理設(shè)計(jì)和測(cè)試，以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。大家在使用過(guò)程中是否遇到過(guò)類(lèi)似的高效轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。