UCx84x電流模式PWM控制器：特性、應用與設計指南

在電子工程師的日常工作中，選擇合適的PWM控制器對于電源設計至關重要。UCx84x系列電流模式PWM控制器以其豐富的特性和廣泛的應用范圍，成為了眾多工程師的首選。今天，我們就來深入了解一下UCx84x系列控制器。

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一、UCx84x系列概述

UCx84x系列為實現(xiàn)離線式或直流/直流固定頻率電流模式控制方案提供了所需特性，且使用最少的外部元件。該系列包括UC184x、UC284x和UC384x等不同型號，它們在工作溫度范圍、UVLO閾值和最大占空比等方面存在差異。

特性亮點

1. 多種選擇：提供多種封裝選項、溫度范圍選項、最大占空比選擇、導通和關斷閾值以及遲滯范圍選擇。例如，UC184x器件指定工作溫度為 -55°C 至 125°C，UC284x 系列為 –40°C 至 85°C，UC384x 系列為 0°C 至 70°C。
2. 優(yōu)化設計：針對離線和 DC - DC 轉換器進行了優(yōu)化，具有低啟動電流（<1 mA）、自動前饋補償、逐脈沖電流限制、增強型負載響應特性、帶有遲滯的欠壓鎖定、雙脈沖抑制等特性。
3. 高電流輸出：高電流圖騰柱輸出，內部調整的帶隙參考，高達 500kHz 工作頻率，具有低輸出電阻的誤差放大器。

應用領域

UCx84x控制器適用于任意極性的開關穩(wěn)壓器和變壓器耦合的 DC - DC 轉換器等應用。

二、引腳配置與功能

UCx84x系列的引腳配置根據(jù)不同封裝有所不同，常見的有8引腳SOIC、CDIP和PDIP，14引腳SOIC和CFP，20引腳LCCC等。下面為大家詳細介紹主要引腳的功能：

1. COMP：誤差放大器補償引腳，可通過外部補償元件修改誤差放大器輸出，還能通過將其強制為 GROUND 控制零占空比。
2. VFB：誤差放大器的反相輸入，用于控制電源轉換器電壓反饋環(huán)路以實現(xiàn)穩(wěn)定性，需使引線長度盡可能短，雜散電容盡可能小。
3. ISENSE：初級側電流檢測引腳，連接到電流檢測電阻器，PWM 使用該信號終止 OUTPUT 開關的導通，也可應用電壓斜坡實現(xiàn)電壓模式控制或添加斜坡補償。
4. RT/CT：振蕩器時序引腳，通過連接電阻器和電容器設置振蕩器頻率，建議計時電阻值在 5kΩ 和 100kΩ 之間，計時電容器值在 1nF 和 100nF 之間。計算公式為 (f{OSC}=frac{1.72}{R{RT} × C_{CT}})。
5. OUTPUT：外部 MOSFET 的柵極驅動器，可直接驅動 MOSFET，UCx842 和 UCx843 輸出開關頻率與振蕩器相同，可接近 100% 占空比工作；UCx844 和 UCx845 輸出開關頻率是振蕩器頻率的一半，最大占空比小于 50%。
6. VCC：器件的電源輸入連接，總 VCC 電流是靜態(tài) VCC 電流和平均 OUTPUT 電流的總和，可根據(jù) (I{OUTPUT }=Q{g} × f_{SW}) 計算平均 OUTPUT 電流。
7. VREF：誤差放大器和許多其他內部電路的基準電壓，5V 基準公差為 ±2%，需使用陶瓷電容器旁路至接地以確?；鶞史€(wěn)定性。

三、詳細特性說明

逐脈沖電流限制

電流模式控制方案本身具有逐脈沖限制，通過鉗位誤差電壓確定峰值電流上限，可優(yōu)化磁性和功率半導體元件，確保電源可靠工作。

電流檢測

外部串聯(lián)電阻器 (R_{CS}) 檢測電流并轉換為電壓輸入到 ISENSE 引腳，PWM 比較器將其與誤差放大器輸出電壓比較，電流檢測放大器增益通常為 3V/V?？赡苄枰?RC 濾波器抑制開關瞬變。

誤差放大器

誤差放大器輸出是與電流源并聯(lián)的開路集電極，輸出電阻低，可使用各種阻抗網(wǎng)絡進行補償?？捎糜诖渭墏日{節(jié)或初級側調節(jié)，以實現(xiàn)電源轉換器的穩(wěn)定性。

欠壓鎖定

UCx84x 器件具有欠壓鎖定保護電路，確保在 VCC 足以使器件正常工作時才啟用輸出級。UCx842 和 UCx844 適合離線交流輸入應用，UCx843 和 UCx845 適合 DC - DC 應用。

振蕩器

振蕩器允許高達 500kHz 的開關頻率，UCx842 和 UCx843 輸出柵極驅動器頻率與振蕩器相同，UCx844 和 UCx845 輸出頻率是振蕩器頻率的一半。為降低噪聲尖峰，建議選擇較大的 (C_{CT})，但要注意死區(qū)時間會隨之增加。

同步

可通過將小電阻器與 (C{CT}) 串聯(lián)接地實現(xiàn)強制同步，使 PWM 以 (R{RT}) 和 (C_{CT}) 設置的頻率運行，直到同步脈沖出現(xiàn)。

關斷技術

PWM 控制器可通過將 ISENSE 處電壓升高到 1V 以上或將 COMP 端子拉到低于接地的兩個二極管壓降的電壓以下實現(xiàn)關斷。

斜坡補償

在占空比超過 50% 的轉換器中，可將振蕩器斜坡的一部分與電流檢測信號電阻相加，為轉換器提供斜坡補償，避免大信號次諧波不穩(wěn)定。

軟啟動

UCx84x 器件沒有內部軟啟動控制，但可通過 R/C 網(wǎng)絡和晶體管在外部輕松實現(xiàn)，從零占空比開始逐漸加寬 PWM 脈沖寬度。

電壓模式

在電壓模式配置中，使用振蕩器計時電容器 (C_{CT}) 生成鋸齒波形輸入到 ISENSE 引腳，與 PWM 比較器處的誤差電壓比較，實現(xiàn)脈寬調制。

四、典型應用案例：UC2842 在離線反激式轉換器中的應用

設計要求

以一個從通用交流輸入提供 12V 和 48W 輸出的離線反激式轉換器為例，其性能要求包括輸入電壓 85 - 265 VRMS，線路頻率 47 - 63 Hz，輸出電壓 11.75 - 12.25 V，輸出紋波電壓 ≤ 100 mVpp，輸出電流 0 - 4 A，開關頻率 100 kHz，效率 85% 等。

詳細設計過程

1. 輸入大容量電容器和最小恒壓電壓：根據(jù)轉換器功率、效率和最小輸入電壓選擇初級側大容量電容，以保持可接受的最小恒壓電壓電平。計算公式為 (C{IN}=frac{2 × P{IN} timesleft(0.25+frac{1}{pi} × arcsin left(frac{V{BULK (min )}}{sqrt{2} × V{IN(min )}}right)right)}{left(2 × V{IN(min )}^{2}-V{BULK (min )}^{2}right) × f_{LINE(min )}})。
2. 變壓器匝數(shù)比和最大占空比：根據(jù)所需的 MOSFET 額定電壓和次級二極管額定電壓選擇變壓器初級與次級匝數(shù)比 (N{PS})，并計算最大占空比 (D{MAX })。計算公式為 (D{MAX }=frac{N{PS } timesleft(V{OUT }+V{F}right)}{V{BULK (min )}+N{PS } timesleft(V{OUT }+V{F}right)})。
3. 變壓器電感和峰值電流：根據(jù) CCM 條件選擇變壓器磁化電感 (L{P})，并計算 MOSFET 和輸出二極管的電流應力。計算公式為 (L{P}=frac{1}{2} × frac{left(V{BULK (min )}right)^{2} timesleft(frac{N{PS} × V{OUT }}{V{BULK (min ) }+N{PS} × V{OUT }}right)^{2}}{0.1 × P{IN} × f{SW}}) 等。
4. 輸出電容器：根據(jù)輸出電壓紋波要求選擇總輸出電容，計算公式為 (C{OUT } geq frac{I{OUT } × frac{N{PS } × V{OUT }}{ V{BULK }(min )+N{PS } × V{OUT }}}{0.001 × V{OUT } × f_{SW}})。
5. 電流檢測網(wǎng)絡：由初級側電流檢測電阻器 (R{CS})、濾波元件 (R{CSF}) 和 (C{CSF}) 以及可選 (R{P}) 組成，可通過 (R_{P}) 注入失調電壓降低電流檢測損耗。
6. 柵極驅動電阻器：(R_{G}) 的選擇需權衡開關損耗和 EMI 性能，本例中選擇 10Ω 電阻器。
7. VREF 電容器：使用陶瓷電容器對基準電壓進行旁路，選擇 1μF、16V 陶瓷電容器，并使其靠近 VREF 和 GROUND 引腳。
8. RT/CT：內部振蕩器使用計時電容器 (C{CT}) 和計時電阻器 (R{RT}) 編程振蕩器頻率和最大占空比，本例中選擇 15.4kΩ 和 1000pF，以實現(xiàn) 110kHz 開關頻率。
9. 啟動電路：啟動時通過高壓電阻器 (R_{START}) 從高壓體獲得功率，選擇 100kΩ 電阻，VCC 電容器選擇 120μF 以提供足夠能量并保持啟動時間約 2 秒。
10. 電壓反饋補償：包括功率級極點和零點分析、斜坡補償、開環(huán)增益計算和補償環(huán)路設計等，以確保轉換器的穩(wěn)定性和良好的瞬態(tài)響應。

五、電源相關建議與布局指南

電源相關建議

1. 使用 0.1μF 至 1μF 陶瓷電容器將 IC 電源 (VCC) 和基準電壓 (VREF) 引腳旁路至接地，離線應用中可能需第二個更大的濾波電容器。
2. ISENSE 上可能需要 RC 電流檢測濾波器，保持時間常數(shù)遠低于最小導通時間脈沖寬度。
3. OUTPUT 引腳上可能需要肖特基二極管防止過沖和下沖，MOSFET 柵極和源極之間放置泄放電阻器防止欠壓鎖定期間激活電源開關。
4. 使用靠近 IC 封裝的陶瓷電容器將 VREF 旁路至接地，基準上的外部負載需要額外的 VREF 旁路。

布局指南

1. 反饋走線：盡量遠離電感器和噪聲電源走線，保持直接明了且稍寬，可在 PCB 另一側鋪設并使用接地平面分開。
2. 旁路電容器：低值陶瓷旁路電容器應靠近器件 VCC 引腳，使用表面貼裝電容器減少引線長度和噪聲耦合。
3. 補償元件：外部補償元件應靠近 IC，使 VFB 引線長度短、雜散電容小，建議使用表面貼裝元件。
4. 走線和接地平面：電源走線應短、直且粗，電感器、輸出電容器和輸出二極管應靠近，IC、輸入電容器、輸出電容器和輸出二極管的接地應緊密相連，可使用接地平面減少噪聲和 EMI。

UCx84x系列電流模式PWM控制器憑借其豐富的特性和廣泛的應用適應性，為電子工程師在電源設計中提供了強大的工具。通過深入了解其特性、引腳功能和應用設計方法，我們可以更好地利用這些控制器實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的電源設計。大家在實際應用中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。