在汽车和工业应用中使用 UCC14131EVM-070 对 GaN 和栅极驱动器 IC 进行偏置

本资源的原文使用英文撰写。为方便起见，TI 提供了译文；由于翻译过程中可能使用了自动化工具，TI 不保证译文的准确性。为确认准确性，请务必访问 ti.com 参考最新的英文版本（控制文档）。

摘要

本用户指南为使用 UCC14131EVM-070 评估德州仪器 (TI) 的 UCC14131-Q1 高频、集成变压器、直流/直流转换器模块提供了说明和指导。该 EVM 附带默认组装的 UCC14131-Q1，但也可以容纳 UCC14130-Q1。UCC14131-Q1 和 UCC14130-Q1 引脚对引脚兼容，并在功能上等效。本文档中显示的所有性能数据和波形均是通过测试 HVP070 Rev E1 中使用的 UCC14131-Q1 获得的。借助该 EVM，设计人员能够快速且高效地评估 UCC14131-Q1，从而用于需要栅极驱动器 IC 辅助电源高达 1.5W 且满足高达 5kV_RMS 隔离要求的汽车或工业应用。

本用户指南可随 UCC14131EVM-070 和 HVP070（Rev E1 和 Rev A）一起提供。Rev E1 和 Rev A 是相同的。

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1 引言

UCC14131-Q1 是一款高效率、低辐射、5kV_RMS 隔离式直流/直流转换器，能够提供 1.5W 的功率。由于 UCC14131-Q1 在集成式封装中提供隔离式电源，因此系统无需单独的隔离式电源，从而可以降低成本并减小尺寸。UCC14131-Q1 在从初级侧到次级侧的功率转换方面可提供出色的效率，同时不再需要现有设计中常用的庞大外部变压器或电源模块。这种集成可大幅缩减印刷电路板 (PCB) 面积和厚度。

注： 请遵照最新的 UCC14131-Q1 数据表，了解每个引脚功能。

1.1 U1 元件选型

UCC14131-Q1 是 UCC14131EVM-070 中采用的默认 IC，但评估时可以使用表 1-1 中列出的任意替代版本。表 1-1 中列出的每个元件版本均彼此引脚对引脚兼容，在功能上等效并互为可替代器件。

表 1-1 UCC1413x-Q1 版本差异

通用器件型号	可订购器件型号	隔离/浪涌/工作电压
UCC14131-Q1	UCC14131QDWNQ1	5kV_RMS/10kV_PK/1kV_RMS
UCC14130-Q1	UCC14130QDWNQ1	3kV_RMS/6.5kV_PK/850kV_RMS

如果需要更换 U1，TI 建议务必采用最佳的焊接技术实践，包括采取适当的 ESD 预防措施，并派擅长表面贴装焊接和板级返工操作的合格人员来移除和安装 U1。目测验证所需版本的 UCC1413x-Q1 元件已正确安装在 EVM 上。如果之前已对 U1 进行了返工，请根据图 1-1 目测验证 U1 的正确方向。根据图 1-1，IC 封装顶部的引脚 1 识别点位于左上方。

1.2 引脚配置和功能

图 1-1 DWN 封装，36 引脚 SSOP（顶视图）

表 1-2 引脚功能（请参阅并遵照数据表）

引脚		¹ 类	说明
名称	编号	¹ 类	说明
GNDP	1、2、5、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18	G	VIN 的初级侧接地连接。引脚 1、2 和 5 是模拟地。引脚 8、9、10、11、12、13、14、15、16、17 和 18 是电源地。在覆铜上放置几个过孔以进行散热。
PG	3	O	低电平有效电源正常开漏输出引脚。当 (UVLO ≤ V_VIN ≤ OVLO)、(UVP1 ≤ (VDD – VEE) ≤ OVP1)、T_{J_Primary} ≤ TSHUTP_{PRIMARY_RISE} 和 T_{J_secondary} ≤ TSHUT_{SECONDARY_RISE} 时，PG 保持低电平
ENA	4	I	启用引脚。强制 ENA 为低电平会禁用器件。上拉至高电平以启用正常的器件功能。建议最大值为 5.5V。
VIN	6、7	P	初级输入电压。引脚 6 用于模拟输入，引脚 7 用于电源输入。对于引脚 7，将两个并联的 10µF 陶瓷电容器从电源 VIN 引脚 7 连接到电源 GNDP 引脚 8。在引脚 7 和引脚 8 附近连接一个 0.1µF 高频旁路陶瓷电容器。
VEE	19、20、21、22、23、24、25、26、27、30、31、36	G	用于 VDD 的次级侧参考连接。VEE 引脚用于高电流返回路径。
VDD	28、29	P	来自变压器的次级侧隔离式输出电压。从 VDD 至 VEE 连接一个 10μF 和一个并联 0.1μF 陶瓷电容器。0.1μF 陶瓷电容器是高频旁路，必须靠近 IC 引脚。
RLIM	32	P	用于限制来自 VDD 的拉电流的第二个次级侧隔离式输出电压电阻器。
FBVEE	33	I	反馈输出电压检测引脚用于调节输出电压。
FBVDD	34	I	反馈 (VDD – VEE) 输出电压检测引脚用于调整输出 (VDD – VEE) 电压。在 VDD 和 VEE 之间连接一个电阻分压器，使中点连接到 FBVDD，调节时的等效 FBVDD 电压为 2.5V。在低侧反馈电阻并联一个 330pF 陶瓷电容，用于高频去耦。用于高频旁路的 330pF 陶瓷电容器必须紧挨着顶层或底层（两层通过过孔连接）的 FBVDD 和 VEEA IC 引脚。
VEEA	35	G	用于噪声敏感模拟反馈输入、FBVDD 和 FBVEE 的次级侧模拟检测参考连接。将低侧反馈电阻和高频去耦滤波电容连接到靠近 VEEA 引脚和各自的反馈引脚 FBVDD 或 FBVEE。连接到次级侧栅极驱动最低电压基准 VEE。使用单点连接并将高频去耦陶瓷电容器靠近 VEEA 引脚放置。

(1) P = 电源，G = 地，I = 输入，O = 输出

2 说明

UCC14131EVM-070 旨在让设计人员能够快速、轻松地评估 UCC14131-Q1 的性能特性和功能，从而用于汽车类隔离式栅极驱动器偏置应用以及各种隔离式工业偏置电源应用。该 EVM 可供用户测试 UCC14131-Q1 的各项功能，例如：启用/禁用 (EN) 器件并轻松地将可变负载应用于输出。借助此 EVM，用户可以根据系统要求，测量输入电压范围内和不同输出负载条件下的效率。EVM 的另一个特性是易于在测试期间进行探测。测试点根据表 4-1 中的描述进行策略性放置。

图 2-1 UCC14131EVM-070（顶视图）

图 2-2 UCC14141EVM-070（底视图）

2.1 EVM 电气性能规格

表 2-1 EVM 电气规格 V_IN = 12V，VDD-VEE = 12V，[+5V]-VEE = 5V，T_A = 25°C（除非另有说明）

参数		测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
输入特性
V_IN	输入电压范围	P_VDD-VEE = 1.5W	11.2	12	14	V
V_{IN_ON}	输入电压开启		9		10	V
V_{IN_OFF}	输入电压关闭			7.2		V
I_{IN_FL}	满载时的输入电流	V_IN = 11.2V，I_VDD = 132.6mA		290		mA
		V_IN = 12V，I_VDD = 128.5 mA		282
		V_IN = 14V，I_VDD = 128.5 mA		274
I_{IN_NL}	空载时的输入电流	V_IN = 11.2V, I_VDD = 0mA		22		mA
		V_IN = 12V，I_VDD = 0 mA		21
		V_IN = 14V，I_VDD = 0 mA		19
I_{IN_OFF}	EN 为低电平时的输入电流	EN 低电平，VDD = VEE = 0 V		540		µA
EN 到 /PG 延迟		I_VDD =I_VEE = 0mA		4.6		ms
输出特性
VDD-VEE	直流满载设定点	11.2V < V_IN < 14V，I_VDD = 130mA		12		V
I_VDD	VDD 负载电流范围	11.2 V < V_IN < 14 V	0		130	mA
VDD_%LD	负载调整率	${V D D}_{R E G} = [\frac{V_{I (m i n)} - V_{I (m a x)}}{V_{I (m a x)}}] \times 100 %$ V_IN = 12V，0mA ≤ I_VDD ≤ 130mA		0.7		%
VDD_%LN	线性调整率	${V D D}_{R E G} = [\frac{V_{I (m i n)} - V_{I (m a x)}}{V_{I (m a x)}}] \times 100 %$ I_VDD = 124mA，11.2V ≤ V_IN ≤ 14V		0.2		%
VDD_AC	pk-to-pk 交流纹波	I_VDD = 130 mA		115		mV
VDD_SS	软启动	I_VDD = I_[+5V] = 0mA		16		ms
P_MAX	最大输出功率	I_VDD = 130mA，I_[+5V] = 0mA，11.2V < V_IN < 14V		1.5		W
[+5V]	直流满载设定点	11.2V ≤ V_IN ≤ 14V，I_[+5V] = 10mA		5		V
I_[+5V]	[+5V] 负载电流范围	11.2 V ≤ V_IN ≤ 14 V	0	10		mA
[+5V]_AC	pk-to-pk 交流纹波	I_[+5V] = 10mA		155		mV
系统特点
η_100%	满负载效率	I_VDD = 130mA，VDD = 12V，		45		%
η_50%	半负载效率	I_VDD = 65mA，VDD = 12V，		41		%
F_SW	开关频率 ⁽¹⁾	V_IN = 11.2V，0mA < I_VDD < 130mA		20.5		MHz
		V_IN = 12V，0mA < I_VDD < 130 mA		19.1
		V_IN = 14V，0mA < I_VDD < 130 mA		16.6
VDD_(OCL)	VDD 过流限制 (I_[+5V] = 0mA)	V_IN = 11.2V，V_DD = 12V		140		mA
		V_IN = 12.0V，V_DD = 12V		155
		V_IN = 14.0V，V_DD = 12V		170
[+5V]_(OCL)	[+5V] 过流限制 (I_VDD = 0mA)	V_IN = 12.0V，V_DD = 12V		16		mA
T_MAX	高于环境温度的最大温升	I_VDD = 130mA，I_[+5V] = 0mA，VDD = 12V		75		°C

(1) 开关频率指定为初级侧开关频率。次级侧是初级侧的 2 倍。

3 原理图

图 3-1 显示了 EVM 电气原理图。C2、C4 和 R8 特意未组装，如次级侧的红色 X 所示，直接放置在元件上方。

图 3-1 UCC14131EVM-070 原理图

4 EVM 设置和操作

4.1 建议测试设备

V_BIAS：5V 直流电源 1：5V，0mA 至 10mA
V_IN：直流电源 2：8V 至 18V，500mA
I_VDD：电子负载或固定电阻器：12V，0mA 至 150mA
I_[+5V]：电子负载或固定电阻器：5 V/10 mA
用于测量 < 30V 直流电压的 (3) 个 EVM
用于在 I_VDD 或 I_[+5V] 上测量 < 200mA 直流电流，以及在 I_VIN 上测量 < 500mA 直流电流的 (3) 个 EVM
示波器：4 通道，500MHz 或更高，电压探头，电流探头
最小线规 20AWG 至 22AWG 或更大
热像仪（可选）或热电偶测量 U1 外壳温度

4.2 通过外部连接轻松进行评估

UCC14131EVM-070 EVM 利用螺丝接线端子快速连接至 VIN、VDD、[+5V] 和 VEE（请参阅表 4-1）。连接适当的电流表和电压表，如图 4-1 所示，以便可以进行准确的 EVM 效率测量。

连接测试设备

将跳线 SH-J1 移至 J2:1-2，EN OFF 位置。这可确保在连接测试设备时 EVM 无法启动。
将 5V 直流偏置电源连接至 J1:1-2（+3.3V 至 +5V）。将电源设置为 0V。J1 上的 5V 电源用作 /PG 和 ENA 的上拉偏置。关闭/禁用 5V 直流偏置电源。
在 J4:1-2 (V_IN) 连接能够提供 8 V<V_IN<18 V 电压和 300 mA 电流的 V_IN 直流电源。将电源调整为 12 V，并将电流限值设置为 350 mA。将电源电压设置为 12 V。关闭/禁用 V_IN 电源。
在 J3:1 (VDD) 和 J3:3 (VEE) 之间连接一个可变负载。如果使用电子负载，则设置为恒定电流 (CC) 68 mA。在 EVM 通电之前，将负载保持为禁用状态。
在 J3:2 ([+5V]) 和 J3:3 (VEE) 之间连接第二个负载。如果使用电子负载，则设置为恒定电流 (CC) 10mA。在 EVM 通电之前，将负载保持为禁用状态。由于所需的负载较小，因此可以在 J3:2-3 之间连接一个 250mW、400Ω 的穿孔负载电阻器。
当设置在低 mA 范围内时，某些电子负载无法调节/稳定 CC。通过插入电流表 A1-A3 来监测输入电流和负载电流，如图 4-1 所示。将电流探头与示波器结合使用，以验证由电子负载调节的直流电流的稳定性。

图 4-1 典型效率测量设置

4.3 为 EVM 供电

警告：

表面高温。接触会导致烫伤。U1 封装表面温度可达到环境温度以上 45°C。请勿触摸！
除非您受过功率电子产品安全、处理和测试方面的适当培训，否则不要测试此 EVM。