Onsemi高性能電流模式控制器UC3842B/UC3843B等型號深度解析

引言

在電源設(shè)計領(lǐng)域，合適的控制器對于實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的電源轉(zhuǎn)換至關(guān)重要。Onsemi的UC3842B、UC3843B、UC2842B、UC2843B系列高性能固定頻率電流模式控制器，憑借其諸多優(yōu)勢在離線和DC - DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用。本文將深入剖析這些控制器的技術(shù)細(xì)節(jié)，為電子工程師在實際設(shè)計中提供有價值的參考。

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產(chǎn)品概述

UC3842B、UC3843B系列專為離線和DC - DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)用而設(shè)計，能以最少的外部組件實現(xiàn)高性價比的解決方案。這些集成電路具有精確的占空比控制、溫度補(bǔ)償參考、高增益誤差放大器、電流感應(yīng)比較器以及適用于驅(qū)動功率MOSFET的高電流圖騰柱輸出等特性。同時，還具備輸入和參考欠壓鎖定、逐周期電流限制、可編程輸出死區(qū)時間和單脈沖計量鎖存等保護(hù)功能。

這些器件有8引腳雙列直插、8引腳表面貼裝（SOIC - 8）和14引腳塑料表面貼裝（SOIC - 14）等封裝形式，其中SOIC - 14封裝為圖騰柱輸出級提供了獨立的電源和接地引腳。UCX842B的欠壓鎖定（UVLO）閾值為16V（開啟）和10V（關(guān)閉），適用于離線轉(zhuǎn)換器；UCX843B的UVLO閾值為8.5V（開啟）和7.6V（關(guān)閉），更適合低電壓應(yīng)用。

關(guān)鍵特性分析

振蕩器

振蕩器頻率由定時組件(R_T)和(C_T)的值編程確定。在50kHz時，振蕩器閾值經(jīng)過溫度補(bǔ)償，誤差在±6%以內(nèi)；在250kHz時，能保證在±10%的誤差范圍內(nèi)工作。(R_T)的值唯一地決定了UC384xx的最大占空比。

其工作原理是：電容(C_T)通過電阻(RT)從(V{ref})源充電至峰值閾值（典型值2.8V），此時內(nèi)部8.3mA的電流源(I_{dischg})開啟，(CT)上的電壓開始下降。當(dāng)電壓降至谷值閾值（典型值1.2V）時，(I{dischg})關(guān)閉，(CT)再次從(V{ref})充電，如此循環(huán)，(R_T / C_T)引腳產(chǎn)生鋸齒波。

最大占空比(D{max})由公式(D{max }=frac{ln left(frac{V{R T / C T( valley )}-V{ref }}{V{R T / C T( peak )}-V{ref }}right)}{ln left(frac{V{R T / C T( valley )}-V{ref }}{V{R T / C T( peak )}-V{ref }}cdotfrac{R{T} I{dischg }+V{R T / C T (peak) }-V{ref }}{R{T} I{dischg }+V{R T / C T( valley )}-V{ref }}right)})確定，顯然(D_{max})由(R_T)決定。為保證正常的振蕩器操作，(R_T)的絕對最小值不應(yīng)小于542Ω ，考慮10%的容差，最近的標(biāo)準(zhǔn)電阻680Ω是可使用的絕對最小值。在一些對噪聲敏感的應(yīng)用中，還可通過向特定電路施加時鐘信號將轉(zhuǎn)換器的頻率鎖定到外部系統(tǒng)時鐘，為了可靠同步，自由運(yùn)行的振蕩器頻率應(yīng)設(shè)置為比時鐘頻率低約10%。

誤差放大器

提供了一個全補(bǔ)償?shù)恼`差放大器，具有90dB的典型直流電壓增益和1.0MHz的單位增益帶寬以及57度的相位裕度。其反相輸入和輸出可訪問，同相輸入內(nèi)部偏置為2.5V且未引出引腳。轉(zhuǎn)換器輸出電壓通常通過電阻分壓器進(jìn)行分壓并由反相輸入監(jiān)測。最大輸入偏置電流為 - 2.0μA，會導(dǎo)致輸出電壓誤差，誤差大小等于輸入偏置電流與等效輸入分壓器源電阻的乘積。

誤差放大器輸出（引腳1）用于外部環(huán)路補(bǔ)償，輸出電壓經(jīng)過兩個二極管壓降（≈1.4V）偏移并除以3后連接到電流感應(yīng)比較器的同相輸入。這確保了當(dāng)引腳1處于最低狀態(tài)（(V{OL})）時，輸出（引腳6）不會出現(xiàn)驅(qū)動脈沖，例如在電源工作且負(fù)載移除或軟啟動開始時。誤差放大器的最小反饋電阻由放大器的源電流（0.5mA）和達(dá)到比較器1.0V鉗位電平所需的輸出電壓（(V{OH})）限制，計算公式為(R_{f(min )}=frac{3.0(1.0 V)+1.4 V}{0.5 mA}=8800 Omega)。

電流感應(yīng)比較器和PWM鎖存

這些控制器作為電流模式控制器工作，輸出開關(guān)的導(dǎo)通由振蕩器啟動，當(dāng)峰值電感電流達(dá)到誤差放大器輸出/補(bǔ)償（引腳1）設(shè)定的閾值電平時終止。因此，誤差信號逐周期控制峰值電感電流。

通過在輸出開關(guān)Q1的源極串聯(lián)接地參考感測電阻(RS)，將電感電流轉(zhuǎn)換為電壓，該電壓由電流感應(yīng)輸入（引腳3）監(jiān)測并與誤差放大器輸出得出的電平進(jìn)行比較。正常工作條件下，峰值電感電流由引腳1的電壓控制，公式為(I{pk}=frac{V{(Pin 1)}-1.4 V}{3 R{S}})；在異常操作條件下，如電源輸出過載或輸出電壓感測丟失，電流感應(yīng)比較器閾值將內(nèi)部鉗位到1.0V，最大峰值開關(guān)電流為(I{pk(max )}=frac{1.0 V}{R{S}})。在設(shè)計高功率開關(guān)穩(wěn)壓器時，可通過調(diào)整內(nèi)部鉗位電壓來降低(RS)的功耗，但過度降低(I{pk(max )})鉗位電壓可能導(dǎo)致因噪聲拾取而出現(xiàn)不穩(wěn)定操作。此外，電流波形前沿的窄尖峰可能導(dǎo)致輸出輕載時電源不穩(wěn)定，可通過在電流感應(yīng)輸入上添加時間常數(shù)近似尖峰持續(xù)時間的RC濾波器來消除這種不穩(wěn)定。

欠壓鎖定

采用了兩個欠壓鎖定比較器，分別監(jiān)測正電源端子（(V{CC})）和參考輸出（(V{ref})），每個比較器都有內(nèi)置的遲滯功能，以防止在跨越各自閾值時輸出行為不穩(wěn)定。UCX842B的(V{CC})比較器上下閾值為16V/10V，UCX843B為8.4V/7.6V；(V{ref})比較器上下閾值為3.6V/3.4V。

UCX842B的大遲滯和低啟動電流使其非常適合離線轉(zhuǎn)換器應(yīng)用，而UCX843B則適用于低電壓DC - DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)用。此外，從(V{CC})到地連接了一個36V的齊納二極管作為并聯(lián)穩(wěn)壓器，以保護(hù)IC免受系統(tǒng)啟動時可能出現(xiàn)的過電壓影響。UCX842B的最小工作電壓（(V{CC})）為11V，UCX843B為8.2V。

這些器件的圖騰柱輸出級專為直接驅(qū)動功率MOSFET而設(shè)計，能夠提供高達(dá)±1.0A的峰值驅(qū)動電流，在1.0nF負(fù)載下典型的上升和下降時間為50ns。此外，當(dāng)欠壓鎖定激活時，內(nèi)部電路會使輸出保持在灌電流模式，無需外部下拉電阻。SOIC - 14表面貼裝封裝為(VC)（輸出電源）和電源接地提供了獨立引腳，能顯著降低施加在控制電路上的開關(guān)瞬態(tài)噪聲水平，在降低(I{pk(max )})鉗位電平時特別有用，獨立的(VC)電源輸入還為設(shè)計師提供了獨立于(V{CC})調(diào)整驅(qū)動電壓的靈活性。

參考

在(T_J = 25^{circ}C)時，UC284XB的5.0V帶隙參考經(jīng)過調(diào)整，公差為±1.0%，UC384XB為±2.0%。其主要用途是為振蕩器定時電容提供充電電流。該參考具有短路保護(hù)功能，能夠提供超過20mA的電流，為額外的控制系統(tǒng)電路供電。

設(shè)計注意事項

電路布局

設(shè)計時，切勿在繞線或插件原型板上構(gòu)建轉(zhuǎn)換器。高頻電路布局技術(shù)對于防止脈沖寬度抖動至關(guān)重要，脈沖寬度抖動通常是由于電流感應(yīng)或電壓反饋輸入上的過多噪聲拾取引起的?？赏ㄟ^降低這些點的電路阻抗來提高抗噪能力。

印刷電路板布局應(yīng)包含一個接地平面，低電流信號和高電流開關(guān)及輸出接地應(yīng)通過單獨的路徑返回輸入濾波電容。根據(jù)電路布局，可能需要將陶瓷旁路電容（0.1μF）直接連接到(V_{CC})、(VC)和(V{ref})，以提供用于過濾高頻噪聲的低阻抗路徑。所有高電流回路應(yīng)盡可能短，使用粗銅走線以減少輻射EMI。誤差放大器補(bǔ)償電路和轉(zhuǎn)換器輸出電壓分壓器應(yīng)靠近IC放置，并盡可能遠(yuǎn)離功率開關(guān)和其他產(chǎn)生噪聲的組件。

次諧波振蕩問題

電流模式轉(zhuǎn)換器在占空比大于50%且電感電流連續(xù)時可能會出現(xiàn)次諧波振蕩。這種不穩(wěn)定性與穩(wěn)壓器的閉環(huán)特性無關(guān)，是由固定頻率和峰值電流檢測的同時工作條件引起的。為了克服這個問題，可以通過向控制電壓添加與PWM時鐘同步的人工斜坡來實現(xiàn)斜坡補(bǔ)償，補(bǔ)償斜坡（(m_3)）的斜率必須等于或略大于(m_2/2)才能保證穩(wěn)定，采用(m_2/2)的斜率補(bǔ)償時，平均電感電流會跟蹤控制電壓，實現(xiàn)真正的電流模式操作。補(bǔ)償斜坡可以從振蕩器導(dǎo)出并添加到電壓反饋或電流感應(yīng)輸入中。

產(chǎn)品應(yīng)用示例

文檔中給出了一個27W離線反激式穩(wěn)壓器的示例，該穩(wěn)壓器使用UC3842B/UC3843B等控制器。測試結(jié)果顯示，在不同的輸入電壓和負(fù)載條件下，該穩(wěn)壓器表現(xiàn)出良好的性能，如5.0V輸出的線性調(diào)整率在(V{in}=95)至(130Vac)時為±0.5%，負(fù)載調(diào)整率在(I{out}=1.0A)至(4.0A)時為±3.0%，輸出紋波為40mVpp，效率達(dá)到70%。

訂購信息

這些控制器提供多種不同的封裝形式和工作溫度范圍選擇，如SOIC - 14、SOIC - 8和PDIP - 8等封裝，工作溫度范圍涵蓋了從 - 40°C到 + 105°C等不同規(guī)格，工程師可以根據(jù)實際應(yīng)用需求進(jìn)行選擇。同時，不同的封裝和訂單數(shù)量對應(yīng)不同的運(yùn)輸方式，如卷帶包裝等。

總結(jié)

Onsemi的UC3842B、UC3843B、UC2842B、UC2843B系列高性能固定頻率電流模式控制器具有豐富的特性和良好的性能，在離線和DC - DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中具有很大的優(yōu)勢。然而，在實際設(shè)計中，工程師需要充分考慮振蕩器、誤差放大器、電流感應(yīng)比較器等各個部分的工作原理和特性，同時注意電路布局和次諧波振蕩等問題，以確保設(shè)計出的電源系統(tǒng)穩(wěn)定、高效。希望本文的分析能為電子工程師在使用這些控制器進(jìn)行設(shè)計時提供有益的幫助。