UCC28781 — 02 内部框图与工作原理
依据 UCC28781 SLUSEP2 §7(功能描述,式 1~18)、§8.2.2(式 19~53 中与机理相关部分)、§9/§10。框图与波形为手册原版图翻拍。 拓扑澄清:UCC28781 是单开关过渡模式(TM)ZVS 反激(ZVSF)——初级只有主开关 QL,没有钳位开关/钳位电容(非 ACF)。它的“第二个开关”是次级 SR 管 QSR:SR 的导通时长被主控逐周期自整定,兼做 SR 驱动与 ZVS 能量泵。
本篇总结
- ZVS 的本质核算:SR 多开一段时间(tDM),把励磁电流反向拉到 IM- = √(CSW/LM)·VBULK——这个“刚好够”的负电流在死区 tZ 内把开关节点从 VBULK+NPS(VO+VF) 谐振拉到 0 V。多一分是环流浪费,少一分硬开通。
- 数字自整定闭环:ZVS 鉴别器只问一个问题——“tZ 窗口内 VSW 跌破 VTH(SWS)(4.04/8.5 V)了吗?”没有 → 下周期 tDM 加一个 LSB;有 → 微调维持。约 15 个周期锁定,器件容差/温度/老化全自动跟踪。
- 五段模式是一条“能量刻度尺”:AAM(调峰值电流)→ ABM(调每包脉冲数 2~9)→ LPM(固定 2 脉冲/25 kHz)→ SBP1(压到 VCST(MIN))→ SBP2(最深待机,1.7~8.5 kHz 跳空避人耳);切换阈值链由 VCS、fBUR、VBUR 迟滞共同把守,回程路径各不相同。
- 待机 <45 mW 是“集体停电”的结果:芯片自己等 iPhone 级功耗(IWAIT 540 µA),还顺手把隔离驱动器(RUN/PWMH 供电)、GaN 驱动器(S13)、上游 PFC(IPC)全部断粮。
- 启动靠“借电”:QS(耗尽型 MOSFET)启动时从开关节点给 CVDD 充电(最大 2 mA 限流),完成后同一颗管子改行做 ZVS 检测——对比高压启动电阻的常续损耗,这是待机功耗核算里最大的一项节省。
- 保护哲学是“分层确认 + 全自动恢复”:逐周期硬保护(OCP 3 周期)、定时保护(OPP 160 ms 放行峰值功率)、跨域判据(SCP 在 VDD 掉电瞬间提前判定)、引脚自诊断(RDM/RTZ/CS/P13 开短路)——恢复一律 1.5 s 打嗝,不锁死。
- EMI 抖动 23 kHz 是“三赢”设计:高于可闻频段、高于环路纠正能力、且幅度随输出电压两级可变(96/36 mV),接近 AAM/ABM 边界时淡出——抖动不牺牲纹波也不牺牲瞬态。
1. Overview:单开关反激的三座大山与它的高频解法
把反激推到 500 kHz+ 会撞上三座大山:开通损耗(vDS 满压开通,Coss 能量+电流交叠损耗随频率线性涨)、关断电压应力(漏感尖峰)、轻载待机(频率越高,固有损耗越大)。 UCC28781 的答案各有一种方法:
- 开通损耗 → 主动 ZVS:SR 延长导通回灌负励磁电流,谐振把 vDS 拉到 0 再开通(本篇 §3);
- 应力 → SR 平台钳位:QL 关断后 SR 迅速导通,次级绕组被钳在 VO+VF,反射回初级形成 VBULK+NPS(VO+VF) 的平台——漏感尖峰只在这之后的一小段换流窗口内存在,必要时 RCD/TVS 后备(本篇 §5);
- 待机 → 五段模式 + 偏置停电管理(本篇 §6/§7)。 对比传统方案:QR 谷底开通只是“免费的部分 ZVS”(谷底电压≠0、频率被谐振周期绑架);真 ACF 用钳位电容回收漏感能量但多一颗高压开关。UCC28781 用“SR 兼职”同时拿到两边的核心收益。
2. 功能框图走读(按信号流)


从左到右跟一条主控制流走:
- 采样层:CS(初级电流,经 RCS/ROPP)→ 峰值电流环;VS(辅助绕组电压)→ 线电压/输出电压/ZCD 三用检测;SWS(开关节点低压段复刻)→ ZVS 鉴别器;FB(光耦电流)→ 模式判决。
- 决策层:中央 Adaptive ZVS Control = tDM 优化器(管 PWMH 宽度)+ ZVS 鉴别器(管加/减 LSB)+ 峰值电流环(管 PWML 关断时刻)+ 死区优化器(管 tZ 与 tD(PWML-H))。
- 执行层:PWML 强驱动 → QL;PWMH 5 V 逻辑 → 隔离驱动器 → QSR。
- 电源管理层:P13 稳压器、S13 开关、RUN/PWMH 供电、Dynamic Bias(等待态关闭内部偏置)。
- 故障层:Power and Fault Management 汇总 OCP/OPP/OVP/brown/OTP/P13/S13/XCD/RDM/RTZ 等十余个故障源 → 统一“停开关 + 1.5 s 打嗝”或“UVLO 复位”。

上图即决策层工作的实测照:开机时 tDM 不够、IM- 不足,控制器先以谷底开关方式运行(左下放大图,VSW 只摆到半途);十几个周期内 tDM 逐 LSB 加长(中图),直到 VSW 稳定跌破 VTH(SWS)(右图,谷底贴 0 V)——ZVS 环锁定后 tDM 只在 LSB 量级抖动。
3. ZVS 的物理核算(本芯片的核心机制)
3.1 谐振腔与“刚好够”的负励磁电流
QL 关断、QSR(SR)导通后,开关节点被钳在 VBULK+NPS(VO+VF)。SR 多开 tDM 里的“回灌段”,励磁电流被输出电压反向泵成负值;PWMH 关断后,负励磁电流 IM- 成为 LM 与开关节点总电容 CSW 组成的无阻尼谐振腔的初始条件。要在一个死区 tZ 内把 VSW 从平台拉到 0 V,需要的初始电流恰为(DS 式 27):
$$I_{M-}=-\sqrt{\frac{C_{SW}}{L_M}}\,V_{BULK}$$
代入数字(本库 65 W 例:LM = 47 µH,CSW = 70 pF ≈ GaN Coss 30 pF + SR 反射 20 pF + 绕组/PCB 20 pF):
- 高线 VBULK = 375 V:IM- = √(70p/47µ)×375 = 1.22×10⁻³×375 ≈ 0.46 A;
- 低线 VBULK = 75 V:IM- ≈ 0.09 A。 注意 IM- ∝ √CSW:布局每多 10 pF 开关节点电容,环流就多一份——这就是 DS 布局篇反复要求“开关节点铜箔小”的量化原因。 这笔环流的“无功功率”≈ ½·CSW·VBULK²·fSW = ½×70p×375²×630 kHz ≈ 3.1 W(高线满载,本库推算)——它不是损耗,但会在绕组与开关的电阻分量里按 Q 值比例发热;“刚好够”策略正是把这份无功压到下限。
3.2 tZ 不是半个谐振周期——式 (10) 展开
死区下限(DS 式 10):
$$t_{LC(MIN)}=\left[\pi-\cos^{-1}\!\left(\frac{N_{PS}(V_O+V_F)}{V_{BULK(MAX)}}\right)\right]\sqrt{L_M C_{SW}}$$
逐项解读:谐振从平台 VBULK+NPS(VO+VF) 出发往 VBULK 走,反余弦项是“出发角”——出发时已带着 NPS(VO+VF)/VBULK(MAX) 的相位偏置,所以走过的弧长小于半周期。DS 自己的例子:VBULK(MAX) = 375 V、VO = 20 V、NPS = 5 → π − cos⁻¹(102.5/375) = π − 0.412π ≈ 0.588π,约四分之一谐振周期再多一点。 代入本库数字:√(LM·CSW) = √(47µ×70p) = 57 ns → tLC(MIN) = 1.846 rad×57 ns ≈ 106 ns;加上 SR 驱动器传播延迟 tD(DR) ≈ 60 ns(按所选隔离驱动器手册取,待核实),得 tZ(MIN) ≈ 166 ns → RRTZ = 1.12×10¹²×166 ns ≈ 186 kΩ(GaN 系数;03 篇取 187 kΩ)。

图中三个时间段的物理意义:tD(DR) 是 SR 驱动器反应时间(SR 已关、谐振未起);tLC(MIN) 是谐振下摆;tZ(MIN) 是两者之和——PWML 必须等满 tZ 再开,早一纳秒都是硬开通。
3.3 自整定算法:一问一答的数字伺服
ZVS 鉴别器的判据只有一个:tZ 到期时 VSW 是否跌破 VTH(SWS)(SET 选 4.04 V 全 ZVS / 8.5 V 部分 ZVS)。
- 没跌到 → TUNE 信号把下周期 tDM 加一个 LSB → IM- 更深 → 同样 tZ 内 VSW 被拉得更低;
- 跌破了且有余量 → tDM 减,把环流省下来;
- 稳态时 tDM 在最优点附近以 LSB 步进“周期性起伏”——这就是数字伺服的极限环,幅度不足以偏离工作点。 为什么用 SWS 而不用 VS 做 ZVS 判据:VS 看的是辅助绕组(间接、有 ZCD 早检测职责);SWS 经 QS 直接复刻开关节点电压,只看 <13 V 的关键段,分辨率与速度都对得起 26 ns 级的时序精度。CSWS 22 pF 的检测延迟还被故意用来保证“VS 的 ZCD 先于 SWS 的 ZVS 被看到”——整定方向才不会反(DS §7.3.5)。 收敛速度:图 7-22 实测约 15 个开关周期锁定。工程含义:负载/母线阶跃后,ZVS 在几十微秒内自愈,无需任何人工调死区。
3.4 两段死区、两套控制律
死区优化器管两个死区,控制律不同:
- tZ(PWMH 关→PWML 开):随线电压前馈——IVSL ≥666 µA(高线)时 100%,≤233 µA(低线)时线性延长到 140%。物理动机:低线时 NPS(VO+VF)/VBULK 比值大、谐振弧长短、过渡慢,需要更多时间;高线收紧死区省环流。
- tD(PWML-H)(PWML 关→PWMH 开):自适应于开关节点电压斜率变化,与 SET 无关——重载 VSW 上升慢、轻载快,SR 开通时刻跟着斜率走,既不早开(增大导通损耗)也不晚开(体二极管导通)。
3.5 一个开关周期的完整时序(AAM 互补开关走读)
t_on(QL) t_DM(SR 导通=退磁+负励磁回灌) tZ
PWML ┏━━━━━┓
┃ ┃
┏━━━━━┛ ┏━━━━━ ← 下一个 ZVS 开通
PWMH ┗━━━━━━━━━━━━━━━━━┛
┗━━ ← tD(PWML-H) 死区后 SR 开
IM 0→+IM+ ──退磁──→ 0 ──回灌──→ −IM- ← 线性段
\谐振/↑
VSW ________ ̄ ̄ ̄ ̄\
\_→ 0 V(VTH(SWS) 命中)
↑ PWML 零电压开通
按时间轴逐段讲(本库 65 W 例、高线满载数字):
- 储能段(t_on ≈ 290 ns):PWML 高,QL 导通,励磁电流以 VBULK/LM ≈ 8 A/µs 爬升到 IM+ ≈ 2.3 A;CS 电压到达 VCST(FB 映射阈值)→ 峰值电流环关断 QL。
- 换流尖峰段(数十 ns):QL 关断瞬间漏感电流给 CSW 充电,VSW 冲向平台;SR 经 tD(VS-PWML) 18 ns + 驱动器延迟开通,把次级钳在 VO+VF → 平台确立(VBULK + 102.5 V)。ΔVCLAMP 预算只管这段尖峰。
- 退磁段(≈1.0 µs):励磁电流线性下降(斜率 VOR/LM ≈ 2.2 A/µs),能量输往输出;VS 在此期间采样反射输出电压(NVO,决定 LV 模式/抖动幅度档)。
- 回灌段(≈0.2 µs):退磁到零后 SR 继续导通(tDM 的“多余”部分),输出电压反向泵励磁电流到 −IM- ≈ −0.46 A——这段宽度就是 ZVS 鉴别器逐周期微调的量。
- 谐振过渡段(tZ ≈ 167 ns):PWMH 关断,LM 与 CSW 谐振,VSW 从平台摆向 0 V;SWS 实时监视,鉴别器记录“是否跌破 VTH(SWS)”作为下一周期 tDM ± LSB 的依据。
- 再开通:PWML 在 vDS ≈ 0 时开通——零电压、零 Coss 损耗,循环从头开始。
SR 的关断时机安排在第 5 段开头(tD(DR) 延迟后)而非电流过零后拖延——这就是“接近零电流关断”的实现方式,也是 SR 尖峰小的原因。
4. 与 QR 谷底开通的对比核算
| 维度 | QR(如 NCP1342) | UCC28781 ZVSF |
|---|---|---|
| 开通时刻 | 等漏感自然谐振的谷底(谷底≠0 V) | 主动制造并命中 0 V(GaN 档) |
| 谐振能量 | 退磁残留电流,碰运气 | 精确配额 IM- = √(CSW/LM)·VBULK |
| 频率自由度 | 被谐振周期绑架,负载决定 | 高(tDM/tZ 可编程,200%~300% 延伸) |
| 漏感尖峰 | RCD 耗掉 | SR 平台承接,能量大部入输出 |
| SR 时序 | 独立 SR 控制器或误差采样 | 主控直发,零失配 |
| 代价 | 电路最简 | 多隔离驱动器/CC-CV 控制器/8 个编程脚 |
要点:QR 是“停止开关动作等谷底”,UCC28781 是“先把钟摆拉到精确角度再松手”——多出来的控制复杂度,换的是每个周期、全工况的确定性 ZVS。
5. 与 ACF 的异同(兼勘误)
| 真·ACF(UCC2897A/NCP1568) | UCC28781 ZVSF | |
|---|---|---|
| 初级开关 | 2 颗(主+钳位) | 1 颗 |
| 钳位电容 | 有,谐振主角 | 无 |
| ZVS 能量来源 | 钳位电容与 LM 的谐振 | SR 回灌的负励磁电流 |
| 漏感能量 | 真回收进输出/母线 | 平台期大部入输出,尖峰段靠 RCD/TVS 后备 |
| QL 关断电压 | Vin + 钳位电容电压(伏秒自平衡) | Vin + NPS(VO+VF) 平台 + 换流尖峰 |
为什么容易被误当成 ACF:两者都实现了“低关断应力 + 初级 ZVS”,且 UCC28781 的 SR 平台确实把 QL 关断电压“钳”在 Vin+NPS(VO+VF) 附近——效果像 ACF,结构上却少一套钳位。代价是:SR 必须存在且时序必须准(DS §9 明文要求 SR 是必需器件),且 AAM/ABM 之外(轻载谷底模式)ZVS 主动放弃——轻载效率靠五段模式的低频化去挣,而不是靠硬凑软开关。
6. 五段稳态模式 + 生存模式:一条能量刻度尺
表 7-1 功能模式总表(重排自 DS 表 7-1)
| 模式 | PWMH/SR | ZVS | 运行方式 | 进入条件 |
|---|---|---|---|---|
| AAM | 使能 | 是 | PWML/PWMH 互补开关,VCST 随负载 | 重载(>IO(BUR)) |
| ABM | 使能 | 是 | 突发包(NSW 2~9),fBUR 保持在 24.5 kHz 以上 | VCS 达 VCST(BUR) |
| LPM | 禁用 | 否(谷底) | 固定 NSW=2,fBUR=fLPM=25 kHz,VCST 过渡 | NSW 降到 2 且 fBUR<fBUR(LR) 连续两包 |
| SBP1 | 禁用 | 否 | NSW=2,VCST=VCST(MIN),调突发关断时间 | VCST 降到 VCST(MIN) |
| SBP2 | 禁用 | 否 | VCST 可编程 0.27~0.4 V,fBUR 跳空 1.7~8.5 kHz | fBUR < 8.5 kHz |
| SM(生存) | 最后一周期使能 | 否 | VDD 后备脉冲串 | VVDD < 13 V 且反馈要求停开关 |

6.1 AAM(自适应幅度调制)——重载主力
互补开关 + ZVS 整定使能。负载降 → 峰值电流环压低 IM+,IM- 保持 ZVS 配额不变;TM 运行的天然结果:峰值电流降 → 开关频率升(本库例:低线满载 ≈240 kHz → 高线满载 ≈630 kHz → 高线半载 ≈1.1 MHz,推算)。RUN 恒高,隔离器常供电。 过载出口:VCST 触到 OPP 曲线(≈0.75×VCST(MAX))持续 160 ms → OPP 故障;瞬时顶到 VCST(MAX) 由 PPL 直接承受。
6.2 ABM(自适应突发模式)——中轻载的“量化调节”
VCS 碰到 VCST(BUR)(BUR 脚编程)即进入:每包内峰值电流与 fSW 固定,调的是突发关断时间。突发频率估算(DS 式 12):
$$f_{BUR}=\frac{I_O}{I_{O(BUR)}}\times\frac{f_{SW}}{N_{SW}}$$
代入:IO/IO(BUR) = 0.5、fSW = 500 kHz、NSW = 9 → fBUR ≈ 27.8 kHz。算法闭环:fBUR 跌破 24.5 kHz → NSW 减 1;升破 34.4 kHz(NSW>3)/51.2 kHz(NSW≤3)→ NSW 加 1——始终把可闻噪声(<20 kHz)关在门外,同时脉冲数尽量多(效率最优)。NSW 上限随输出电压变:VVS>2.5 V 时 9、<2.4 V 时 5——低输出电压纹波规格更严,包更小。 防连绑:两个 9 脉冲大包贴在一起(8 个突发周期内出现两次)→ 5 µA 灌入 BUR 脚压低 VBUR → 平滑过渡回 AAM。 内部斜坡补偿:RUN 低后 ICOMP 以 0.214 A/s 爬向 6.75 µA,与 IFB 之和过阈值触发下一包——开关纹波与光耦噪声被坡度顶开,突发环免外部补偿。 包间停电:RUN 拉低 → 隔离器断电(2.2 µs 唤醒延迟在下一包开头);PWML 最小导通时间受前沿消隐限制(此模式)。
6.3 LPM(低功率模式)——软过渡到谷底
固定 NSW = 2、fBUR = fLPM = 25 kHz,VCST 在 VCST(BUR) 与 VCST(MIN) 之间受控过渡。关键技巧:SET 接 REF(Si)时 tON(MIN) ≈ 105 ns / GaN ≈ 110 ns——LPM/SBP 中 PWML 导通时间不再受前沿消隐下限约束,控制环从电流模式切换为电压模式,峰值励磁电流可以压到比 LEB 极限更低的水平,把 25 kHz 突发的激励幅度也压小(可闻噪声三重防线之一)。
6.4 SBP1——把“每包能量”压到底
VCST 钳在 VCST(MIN) = 153 mV,只调突发关断时间。等效待机电流(DS 式 13):
$$I_{VDD(SBP)}=(I_{RUN}-I_{WAIT})\times\left(\frac{2}{f_{SW(SBP)}}+t_{D(RUN-PWML)}\right)\times f_{BUR}+I_{WAIT}$$
代入(fSW(SBP) ≈ 400 kHz、fBUR ≈ 4 kHz):(3−0.54) mA×(5 µs+4.7 µs)×4 kHz ≈ 95 µA,加 IWAIT 540 µA → ≈0.64 mA——比常开 3 mA 省 4.7 倍(本库推算示例)。fBUR 越低越省,于是有了 SBP2。
6.5 SBP2——最深待机 + 人耳跳空
fBUR < 8.5 kHz 后进入:脉冲数加倍(每包 2 脉冲的频率减半),VCST 由 IPC 脚编程到 0.27~0.4 V(更高每包能量换更低频率,静态损耗占比更小)。跳空设计:仅当 VIPC >0.9 V(用户编程了更高极轻载电流)时,SBP2→SBP1 的回程阈值从 8.5 kHz 改为 1.7 kHz——1.7~8.5 kHz 恰是人耳最敏感频段,直接跳过不驻留(DS §7.4.9)。
6.6 生存模式(SM)——为 CVDD 省体积
负载阶跃下降/输出过冲时,反馈环命令停开关,VVDD 靠 CVDD 直接承受。传统做法把 CVDD 加大到承受过整个过冲期;UCC28781 的替代方案:VVDD 跌破 13 V(VVDD(OFF)+VVDD(PCT) = 10.6+2.2 V)时纹波调节器启动,发 PWML 脉冲串把辅助绕组能量泵进来,>13 V 即停。因为此时 VVDD 低于反射输出电压,励磁能量大头流向辅助绕组,几拍就能充满。设计红线(DS §7.4.11):稳态 VVDD 必须设计在 13 V 以上(NA 留匝)、CVDD 只按最长软启动定(式 5)、辅助回路阻抗小(DAUX 串联电阻小、NA 直流电阻 <0.1 Ω)——否则会在 SM 与 SBP 间来回横跳。
6.7 模式切换阈值链(一张图记住五个门口)
重载 → 空载方向的“连续关卡”,每关由一个可测量把守:
| 关卡 | 把守量 | 阈值(typ) | 回程条件(防乒乓的关键差异) |
|---|---|---|---|
| AAM→ABM | VCS 碰 VCST(BUR) | VBUR/3.98(0.7~2.4 V 可编程) | AAM 侧 5 µA 灌入把 VBUR 压低 → 回程滞后 ΔVBUR(AAM) |
| ABM→LPM | NSW 降到 2 且 fBUR < fBUR(LR) 连续两包 | 24.5 kHz | 2.7 µA 上拉抬高 VBUR → LPM 更难退出,ΔVBUR(LPM) 迟滞 |
| LPM→SBP1 | VCST 降到 VCST(MIN) | 153 mV | 负载回升即退出(无额外迟滞,VCST 连续过渡) |
| SBP1→SBP2 | fBUR < fSBP2(UP) | 8.5 kHz | 回程 8.5 kHz(VIPC≤0.9 V)或 1.7 kHz(VIPC>0.9 V 跳空) |
| 任意→SM | VVDD < 13 V 且反馈要求停开关 | VVDD(OFF)+VVDD(PCT) | VVDD 抬回 13 V 即返回原模式 |
两个设计载体:VBUR 决定“大门口”(ABM 进入点=轻载效率拐点),IPC 决定“地下室”(SBP2 深度与可闻跳空)——两者一前一后把整个轻载区间的“纹波-效率-噪声”三角形调到目标位。所有模式切换都经过 BUR 脚迟滞电流(2.7/5 µA)平滑,这就是 DS 在式 (2)(4) 上花两页篇幅的原因:迟滞不够,模式边界就变成可闻噪声源。
7. 启动与偏置:借电、还电、管电
7.1 启动链(表 7-2 的 A~K 压缩版)
- A/B 段:UVLO 闭合内部开关,把 QS(漏极=开关节点)的源极经 RDDS 接到 VDD:VVDD<1.8 V 时 RDDS = 5 kΩ(防 CVDD 对地短路时大电流),>1.8 V 后降为 500 Ω 加速。充电电流(DS 式 8):
$$I_{SWS}=\frac{V_{TH(Q_S)}}{R_{DDS}+R_{SWS}}$$
代入:RDDS+RSWS ≈ 0.5+0.51 kΩ = 1.01 kΩ;由 IVDD(LIMIT) typ 2 mA 反推 QS 阈值 ≈2 V 量级(BSS126 手册为准,待核实)。10 µF 从 0 充到 17 V @2 mA ≈ 85 ms 启动(本库推算)。 2. C/D 段:17 V 到位 → 断开 QS(充电使命结束)→ REF 稳压器建 5 V(17 mA 自限)→ 13 V 稳压器接管 P13(2.2 mA 限流放 CP13,>10 µs 防 P13 开路误判)→ RUN 变高。 3. E~K 段:S13 充到 10 V(隔离器就绪)→ 2.2 µs 唤醒 → 首脉冲谷底开通(tZC 后备)→ 软启动:VCST 先钳 VCST(SM1) = 0.2 V 五拍(输出短路时限流+把频率推高过可闻段),再 VCST(SM2) = 0.5 V,VVS>0.5 V 后放开到 VCST(MAX);VO 就位后辅助绕组接管 VDD 供电——QS 退居二线当 ZVS 检测器。 软启动电流上限可按式 (7) 估算(03 篇 Step 9 代入 ≈4.9 A 次级)。
7.2 省电核算:对比高压启动电阻
传统启动电阻:以 2×470 kΩ 接 375 V 母线为例,启动后若不切除,常续损耗 = 375²/940 kΩ ≈ 150 mW——是 <45 mW 待机目标的 3 倍还多;切除则需高压开关或继电器,成本与可靠性双输。UCC28781 的 QS 方案:只在启动的 85 ms 里借电,之后零静耗,同一颗管子转岗 ZVS 检测——这是“免高压启动电阻”的完整核算(对比数值为业界常规口径,本库推算)。芯片自身核算:等待态 540 µA×20 V ≈ 10.8 mW,EVM 整机待机 42 mW @230 VAC(DS 表 8-1)——其余大头由 RUN/S13/IPC 的“停电管理”逐项抠出来。
7.3 偏置停电管理配套组合
- RUN:突发关断期拉低 → 数字隔离器 VCC1 经肖特基阻断缓慢放电到 UVLO 以下 → 隔离器静态功耗归零;下包开头 P13 以 44 mA 峰值快充回 UVLO 以上。
- S13:GaN 低侧驱动器(及 PFC)的 13 V 按需轨——RUN 高才合闸(内部 2.8 Ω 开关),10 V 门槛确保驱动器真的活着才发 PWML。
- PWMH:信号兼电源——21 mA 峰值(<3 V 段)帮助隔离器快速起振,之后 REF 接管限 6 mA 防过流。 配套组合的时序咬合:RUN 高 ∥(S13 充到 10 V)→ 2.2 µs 唤醒 → 2.3 µs tZC 等谷底 → PWML。最坏 tD(RUN-PWML) 7.43 µs(DS 表)——这就是每个突发包开头的“起床成本”,突发频率设计时必须计入。
8. SR 协调:直驱的收益与风险
- 为什么 SR 是必需品(DS §9 明文):没有 SR 就没有受控的负励磁电流,ZVS 不成立;SR 电流额定按最大负载退磁峰值电流选。
- 直驱收益:PWMH 与 PWML 同源时序,SR 导通窗口 = tDM 精确受控——不存在独立 SR 控制器的采样误差/误触发;SR 关断时刻(PWMH 下降沿)由 tD(DR) 与谐振预算统一决定,天然接近零电流关断。
- 直通防范:AAM/ABM 强制互补 + 两段死区(tZ 与 tD(PWML-H))从时序上隔离 QL/QSR;暂时性 CCM(升载瞬态)下励磁电流未退完 QL 就要开通——增强的开关控制缓解此时 SR 的过大 VDS 应力(DS §7.1),必要时放缓 PWML 开通沿(栅电阻 ∥ 快恢复二极管)把开关节点 dV/dt 压下来,同时减轻对隔离 SR 驱动器的应力。
- 应力清单(DS §9):SR 尖峰两大来源 = 初级硬开关(ZVS 丢失时)+ SR 非零电流关断;对策按“升额定 → 加缓冲 → 逐源排查”顺序,最简单是 SR 上并 TVS 钳位。
- 深轻载:SBP 模式 PWMH 禁用、谷底开关——SR 不再被驱动,此时放缓的 PWML 开通沿保护次级整流器不被 dV/dt 打穿。
9. X 电容放电与 EMI 抖动
9.1 XCD 状态机(数字全录)
检测:6.62 V 迟滞阈值看交流过零(LZC)。84 ms 判定期内四档阶梯测试电流(0.4→0.775→1.15→1.53 mA,各 12 ms;末档持 48 ms)逐级克服桥二极管漏电流(高线/高温漏电流更大)→ 确认掉电 → XCD_LATCH 置位 → 2 mA 放电最长 300 ms → 700 ms 消隐(平均电流最小化)。验算:1 µF 从 375 V 放到 60 V 需移走 315 µC,按最小放电电流 1.65 mA 需 191 ms < 300 ms ✓(本库推算,DS 声明可放空 1 µF)。故障重启期间 XCD 功能照常工作(由 VDD 而非 REF 供电);交流恢复 → 几乎立即复位故障重启。
9.2 EMI 抖动 23 kHz 的三赢设计
传统抖动 300~500 Hz 会被环路“纠正掉”,压抖动到 kHz 级又进可闻区——UCC28781 因工作频率高,把抖动定在 23 kHz:高于可闻、快于环路响应、EMI 频谱展开有效。三个增值设计:
- 前馈增强:抖动叠加在 VCST 上,ZVS 环以前馈方式快速纠正时序误差——抖动不打断 ZVS;
- 两级幅度:高输出电压(VVS>2.5 V)±96 mV(EMI 优先),低输出电压 ±36 mV(纹波优先)——USB-PD 多电压档各取所需;
- 抖动淡出:VCST 顶到 VCST(MAX) 或底到 VCST(BUR) 时被钳位削平——不侵蚀峰值功率能力,不污染 ABM 波形。 低线折中:IVSL <580 µA(迟滞 580/646 µA)时抖动禁用——低线效率通常定热限,且低线母线纹波本身就是自然抖动源(DS 给的算例:brown-in 设 75 Vac → 90/115 Vac 下抖动自动禁用)。
10. 保护逐个讲机理(表 7-3/7-4 重排)
| 保护 | 判据 | 延迟 | 动作 | 物理机理与设计意图 |
|---|---|---|---|---|
| Brown-in | IVSL ≤ 365 µA | 4 个测试脉冲(首个忽略) | UVLO 复位 | UVLO 循环里“伸脚试水温”:3 个连续脉冲确认母线真没起来才罢休——防母线纹波谷误判 |
| Brown-out | IVSL ≤ 305 µA | tBO 55 ms + 3 个验证脉冲 | UVLO 复位 | 55 ms 跨过 50 Hz 三个线周期,纹波谷底短时低不触发;开关被输出过冲打断时 IVSL 无从更新,恢复后 3 个脉冲复核,撤销“表观欠压” |
| OVP | VVS ≥ 4.55 V | 3 个 PWML 周期 | 1.5 s 重启 | 反射电压检测:光耦失效/反馈断线的最后防线 |
| IOVP | VFLT ≥ 4.5 V | 750 µs | UVLO 复位(恢复 4.43 V) | 长延迟滤线路浪涌/ESD 母线过冲;重启后先验 VFLT 再开关 |
| OTP(FLT) | RNTC ≤ 9.91 kΩ | 50 µs | UVLO 复位(RNTC>23 kΩ 恢复) | 2.3 倍迟滞强制热点冷却;50 µs 源延迟容许滤波电容。注意等待态 50 µA 源禁用 → 轻载不设防 |
| OTP(FLT 分压式) | REF-NTC-RFLT 分压 | 750 µs | 1.5 s 重启 | 复用 IOVP 阈值,延迟与等待态无关 → 全负载范围设防 |
| OTP(CS 脚) | PWMH 高时 NTC 分压 >1.2 V | 2 个 PWMH 周期 | 1.5 s 重启 | FLT 被 IOVP 占用时的备胎;PMOS 门控版本覆盖最宽负载 |
| 热关断 | TJ ≥ 162 °C typ | 3 个 PWML 周期 | UVLO 复位 | 芯片自保,不能替代远端 NTC(NTC 贴真实热点) |
| OPP | VCST ≥ VCST(OPP)(≈0.75×MAX) | 160 ms | 1.5 s 重启 | 允许 160 ms 峰值功率——PD 里程碑/电机启动的好朋友;线补偿(KLC=25)+输出电压前馈让触发点全线一致。UCC28781A 禁用 |
| PPL | VCST ≤ 801 mV | — | 逐周期 | 硬上限:PO(MAX) = (0.8/0.6)×PO(OPP) ≈ 1.33×OPP 功率 |
| SCP | VDD 掉到 10.6 V 且(VCST>OPP 或 VVS<0.5 V) | ≤160 ms | 1.5 s 重启 | 短路时辅助绕组没电、VDD 先掉——不等 160 ms 走完,掉电瞬间即判定,平均短路电流大降(热应力核算) |
| OCP | VCS ≥ 1.22 V | 3 个 PWML 周期 | 1.5 s 重启 | 变压器饱和/次级绕组短路的逐周期硬保护 |
| CS 短路 | 首脉冲 >tCSF(2 µs/1 µs 按 SET/RRDM) | 无 | 1.5 s 重启 | 电流反馈断链 → 首脉冲失控变宽;tCSF 按 GaN 高频档(RRDM<55 kΩ)收紧到 1 µs |
| CS 开路 | 4 µA 拉到 3.3 V > 1.22 V | 3 个周期 | 1.5 s 重启 | 高阻态自暴露 |
| P13 开路/过压 | 10 µs 内 VP13 未建/VP13>15 V×3 | — | UVLO 复位 | QS 检测网络失效保护:栅悬空由 DP13 后备 |
| RDM/RTZ 开短路 | UVLO 期电流超界 | — | UVLO 复位 | ZVS 算法的“传感器坏标定”直接禁飞 |
| 外部关断 | REF 拉低 <4.5 V | — | 持续重启循环 | 给系统级 ON/OFF 留的后门 |
精炼要点
| 要点 | 数值/机理 | 为什么重要 |
|---|---|---|
| IM- 配额公式 | √(CSW/LM)·VBULK | ZVS 的能量配平——CSW 每大 10 pF,环流多一分 |
| tLC 不是半周期 | π−cos⁻¹(VOR/VBULK) 弧长 ≈0.59π | 死区按此算,误差直接变硬开通 |
| 锁定速度 | ~15 周期 | 瞬态后自愈,免调试 |
| 模式刻度尺 | AAM→ABM→LPM→SBP1→SBP2 | 每段解决“频率/纹波/可闻噪声/待机”的一个矛盾 |
| 待机三项限制 | 540 µA 底耗+停电管理+跳空 | 42 mW 实测的分解路径 |
| 启动=借电 | QS 2 mA×85 ms 后零静耗 | 对比启动电阻 150 mW 常续损耗 |
| OPP/PPL 配比 | 0.75 / 1.0(tOPP 160 ms) | 峰值功率放行 1.33 倍,PD 友好 |
| SCP 快判 | VDD 掉电瞬间 | 短路平均电流大降=热安全 |
| SR 必需 | 负励磁电流之源 | 没有受控 SR 就没有 ZVS |
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