UCx84x電流模式PWM控制器：特性、應(yīng)用與設(shè)計(jì)指南

在電子工程師的日常工作中，選擇合適的PWM控制器對(duì)于電源設(shè)計(jì)至關(guān)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(yīng)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(shí)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(hào)，它們?cè)诠ぷ鳒囟确秶?、UVLO閾值和最大占空比等方面存在差異。

特性亮點(diǎn)

1. 多種選擇：提供多種封裝選項(xiàng)、溫度范圍選項(xiàng)、最大占空比選擇、導(dǎo)通和關(guān)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(shè)計(jì)：針對(duì)離線和 DC - DC 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了優(yōu)化，具有低啟動(dòng)電流（<1 mA）、自動(dòng)前饋補(bǔ)償、逐脈沖電流限制、增強(qiáng)型負(fù)載響應(yīng)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(nèi)部調(diào)整的帶隙參考，高達(dá) 500kHz 工作頻率，具有低輸出電阻的誤差放大器。

應(yīng)用領(lǐng)域

UCx84x控制器適用于任意極性的開關(guān)穩(wěn)壓器和變壓器耦合的 DC - DC 轉(zhuǎn)換器等應(yīng)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(xì)介紹主要引腳的功能：

1. COMP：誤差放大器補(bǔ)償引腳，可通過外部補(bǔ)償元件修改誤差放大器輸出，還能通過將其強(qiáng)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(zhuǎn)換器電壓反饋環(huán)路以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性，需使引線長(zhǎng)度盡可能短，雜散電容盡可能小。
3. ISENSE：初級(jí)側(cè)電流檢測(cè)引腳，連接到電流檢測(cè)電阻器，PWM 使用該信號(hào)終止 OUTPUT 開關(guān)的導(dǎo)通，也可應(yīng)用電壓斜坡實(shí)現(xiàn)電壓模式控制或添加斜坡補(bǔ)償。
4. RT/CT：振蕩器時(shí)序引腳，通過連接電阻器和電容器設(shè)置振蕩器頻率，建議計(jì)時(shí)電阻值在 5kΩ 和 100kΩ 之間，計(jì)時(shí)電容器值在 1nF 和 100nF 之間。計(jì)算公式為 (f{OSC}=frac{1.72}{R{RT} × C_{CT}})。
5. OUTPUT：外部 MOSFET 的柵極驅(qū)動(dòng)器，可直接驅(qū)動(dòng) MOSFET，UCx842 和 UCx843 輸出開關(guān)頻率與振蕩器相同，可接近 100% 占空比工作；UCx844 和 UCx845 輸出開關(guān)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(jì)算平均 OUTPUT 電流。
7. VREF：誤差放大器和許多其他內(nèi)部電路的基準(zhǔn)電壓，5V 基準(zhǔn)公差為 ±2%，需使用陶瓷電容器旁路至接地以確保基準(zhǔn)穩(wěn)定性。

三、詳細(xì)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(dǎo)體元件，確保電源可靠工作。

電流檢測(cè)

外部串聯(lián)電阻器 (R_{CS}) 檢測(cè)電流并轉(zhuǎn)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(cè)放大器增益通常為 3V/V?？赡苄枰?RC 濾波器抑制開關(guān)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(luò)進(jìn)行補(bǔ)償。可用于次級(jí)側(cè)調(diào)節(jié)或初級(jí)側(cè)調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定性。

欠壓鎖定

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

振蕩器

振蕩器允許高達(dá) 500kHz 的開關(guān)頻率，UCx842 和 UCx843 輸出柵極驅(qū)動(dòng)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(shí)間會(huì)隨之增加。

同步

可通過將小電阻器與 (C{CT}) 串聯(lián)接地實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制同步，使 PWM 以 (R{RT}) 和 (C_{CT}) 設(shè)置的頻率運(yùn)行，直到同步脈沖出現(xiàn)。

關(guān)斷技術(shù)

PWM 控制器可通過將 ISENSE 處電壓升高到 1V 以上或?qū)?COMP 端子拉到低于接地的兩個(gè)二極管壓降的電壓以下實(shí)現(xiàn)關(guān)斷。

斜坡補(bǔ)償

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

軟啟動(dòng)

UCx84x 器件沒有內(nèi)部軟啟動(dòng)控制，但可通過 R/C 網(wǎng)絡(luò)和晶體管在外部輕松實(shí)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(jì)時(shí)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(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制。

四、典型應(yīng)用案例：UC2842 在離線反激式轉(zhuǎn)換器中的應(yīng)用

設(shè)計(jì)要求

以一個(gè)從通用交流輸入提供 12V 和 48W 輸出的離線反激式轉(zhuǎn)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(guān)頻率 100 kHz，效率 85% 等。

詳細(xì)設(shè)計(jì)過程

1. 輸入大容量電容器和最小恒壓電壓：根據(jù)轉(zhuǎn)換器功率、效率和最小輸入電壓選擇初級(jí)側(cè)大容量電容，以保持可接受的最小恒壓電壓電平。計(jì)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(jí)二極管額定電壓選擇變壓器初級(jí)與次級(jí)匝數(shù)比 (N{PS})，并計(jì)算最大占空比 (D{MAX })。計(jì)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(jì)算 MOSFET 和輸出二極管的電流應(yīng)力。計(jì)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(jì)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(cè)網(wǎng)絡(luò)：由初級(jí)側(cè)電流檢測(cè)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(diào)電壓降低電流檢測(cè)損耗。
6. 柵極驅(qū)動(dòng)電阻器：(R_{G}) 的選擇需權(quán)衡開關(guān)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(duì)基準(zhǔn)電壓進(jìn)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(nèi)部振蕩器使用計(jì)時(shí)電容器 (C{CT}) 和計(jì)時(shí)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(shí)現(xiàn) 110kHz 開關(guān)頻率。
9. 啟動(dòng)電路：?jiǎn)?dòng)時(shí)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(dòng)時(shí)間約 2 秒。
10. 電壓反饋補(bǔ)償：包括功率級(jí)極點(diǎn)和零點(diǎn)分析、斜坡補(bǔ)償、開環(huán)增益計(jì)算和補(bǔ)償環(huán)路設(shè)計(jì)等，以確保轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定性和良好的瞬態(tài)響應(yīng)。

五、電源相關(guān)建議與布局指南

電源相關(guān)建議

1. 使用 0.1μF 至 1μF 陶瓷電容器將 IC 電源 (VCC) 和基準(zhǔn)電壓 (VREF) 引腳旁路至接地，離線應(yīng)用中可能需第二個(gè)更大的濾波電容器。
2. ISENSE 上可能需要 RC 電流檢測(cè)濾波器，保持時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)低于最小導(dǎo)通時(shí)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(guān)。
4. 使用靠近 IC 封裝的陶瓷電容器將 VREF 旁路至接地，基準(zhǔn)上的外部負(fù)載需要額外的 VREF 旁路。

布局指南

1. 反饋?zhàn)呔€：盡量遠(yuǎn)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(cè)鋪設(shè)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(yīng)靠近器件 VCC 引腳，使用表面貼裝電容器減少引線長(zhǎng)度和噪聲耦合。
3. 補(bǔ)償元件：外部補(bǔ)償元件應(yīng)靠近 IC，使 VFB 引線長(zhǎng)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(yīng)短、直且粗，電感器、輸出電容器和輸出二極管應(yīng)靠近，IC、輸入電容器、輸出電容器和輸出二極管的接地應(yīng)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(yīng)用適應(yīng)性，為電子工程師在電源設(shè)計(jì)中提供了強(qiáng)大的工具。通過深入了解其特性、引腳功能和應(yīng)用設(shè)計(jì)方法，我們可以更好地利用這些控制器實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的電源設(shè)計(jì)。大家在實(shí)際應(yīng)用中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。