UCx84x电流模式PWM控制器：特性、应用与设计指南

在电子工程师的日常工作中，选择合适的PWM控制器对于电源设计至关重要。UCx84x系列电流模式PWM控制器以其丰富的特性和广泛的应用范围，成为了众多工程师的首选。今天，我们就来深入了解一下UCx84x系列控制器。

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一、UCx84x系列概述

UCx84x系列为实现离线式或直流/直流固定频率电流模式控制方案提供了所需特性，且使用最少的外部元件。该系列包括UC184x、UC284x和UC384x等不同型号，它们在工作温度范围、UVLO阈值和最大占空比等方面存在差异。

特性亮点

1. 多种选择：提供多种封装选项、温度范围选项、最大占空比选择、导通和关断阈值以及迟滞范围选择。例如，UC184x器件指定工作温度为 -55°C 至 125°C，UC284x 系列为 –40°C 至 85°C，UC384x 系列为 0°C 至 70°C。
2. 优化设计：针对离线和 DC - DC 转换器进行了优化，具有低启动电流（<1 mA）、自动前馈补偿、逐脉冲电流限制、增强型负载响应特性、带有迟滞的欠压锁定、双脉冲抑制等特性。
3. 高电流输出：高电流图腾柱输出，内部调整的带隙参考，高达 500kHz 工作频率，具有低输出电阻的误差放大器。

应用领域

UCx84x控制器适用于任意极性的开关稳压器和变压器耦合的 DC - DC 转换器等应用。

二、引脚配置与功能

UCx84x系列的引脚配置根据不同封装有所不同，常见的有8引脚SOIC、CDIP和PDIP，14引脚SOIC和CFP，20引脚LCCC等。下面为大家详细介绍主要引脚的功能：

1. COMP：误差放大器补偿引脚，可通过外部补偿元件修改误差放大器输出，还能通过将其强制为 GROUND 控制零占空比。
2. VFB：误差放大器的反相输入，用于控制电源转换器电压反馈环路以实现稳定性，需使引线长度尽可能短，杂散电容尽可能小。
3. ISENSE：初级侧电流检测引脚，连接到电流检测电阻器，PWM 使用该信号终止 OUTPUT 开关的导通，也可应用电压斜坡实现电压模式控制或添加斜坡补偿。
4. RT/CT：振荡器时序引脚，通过连接电阻器和电容器设置振荡器频率，建议计时电阻值在 5kΩ 和 100kΩ 之间，计时电容器值在 1nF 和 100nF 之间。计算公式为 (f{OSC}=frac{1.72}{R{RT} × C_{CT}})。
5. OUTPUT：外部 MOSFET 的栅极驱动器，可直接驱动 MOSFET，UCx842 和 UCx843 输出开关频率与振荡器相同，可接近 100% 占空比工作；UCx844 和 UCx845 输出开关频率是振荡器频率的一半，最大占空比小于 50%。
6. VCC：器件的电源输入连接，总 VCC 电流是静态 VCC 电流和平均 OUTPUT 电流的总和，可根据 (I{OUTPUT }=Q{g} × f_{SW}) 计算平均 OUTPUT 电流。
7. VREF：误差放大器和许多其他内部电路的基准电压，5V 基准公差为 ±2%，需使用陶瓷电容器旁路至接地以确保基准稳定性。

三、详细特性说明

逐脉冲电流限制

电流模式控制方案本身具有逐脉冲限制，通过钳位误差电压确定峰值电流上限，可优化磁性和功率半导体元件，确保电源可靠工作。

电流检测

外部串联电阻器 (R_{CS}) 检测电流并转换为电压输入到 ISENSE 引脚，PWM 比较器将其与误差放大器输出电压比较，电流检测放大器增益通常为 3V/V。可能需要 RC 滤波器抑制开关瞬变。

误差放大器

误差放大器输出是与电流源并联的开路集电极，输出电阻低，可使用各种阻抗网络进行补偿。可用于次级侧调节或初级侧调节，以实现电源转换器的稳定性。

欠压锁定

UCx84x 器件具有欠压锁定保护电路，确保在 VCC 足以使器件正常工作时才启用输出级。UCx842 和 UCx844 适合离线交流输入应用，UCx843 和 UCx845 适合 DC - DC 应用。

振荡器

振荡器允许高达 500kHz 的开关频率，UCx842 和 UCx843 输出栅极驱动器频率与振荡器相同，UCx844 和 UCx845 输出频率是振荡器频率的一半。为降低噪声尖峰，建议选择较大的 (C_{CT})，但要注意死区时间会随之增加。

同步

可通过将小电阻器与 (C{CT}) 串联接地实现强制同步，使 PWM 以 (R{RT}) 和 (C_{CT}) 设置的频率运行，直到同步脉冲出现。

关断技术

PWM 控制器可通过将 ISENSE 处电压升高到 1V 以上或将 COMP 端子拉到低于接地的两个二极管压降的电压以下实现关断。

斜坡补偿

在占空比超过 50% 的转换器中，可将振荡器斜坡的一部分与电流检测信号电阻相加，为转换器提供斜坡补偿，避免大信号次谐波不稳定。

软启动

UCx84x 器件没有内部软启动控制，但可通过 R/C 网络和晶体管在外部轻松实现，从零占空比开始逐渐加宽 PWM 脉冲宽度。

电压模式

在电压模式配置中，使用振荡器计时电容器 (C_{CT}) 生成锯齿波形输入到 ISENSE 引脚，与 PWM 比较器处的误差电压比较，实现脉宽调制。

四、典型应用案例：UC2842 在离线反激式转换器中的应用

设计要求

以一个从通用交流输入提供 12V 和 48W 输出的离线反激式转换器为例，其性能要求包括输入电压 85 - 265 VRMS，线路频率 47 - 63 Hz，输出电压 11.75 - 12.25 V，输出纹波电压 ≤ 100 mVpp，输出电流 0 - 4 A，开关频率 100 kHz，效率 85% 等。

详细设计过程

1. 输入大容量电容器和最小恒压电压：根据转换器功率、效率和最小输入电压选择初级侧大容量电容，以保持可接受的最小恒压电压电平。计算公式为 (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. 变压器匝数比和最大占空比：根据所需的 MOSFET 额定电压和次级二极管额定电压选择变压器初级与次级匝数比 (N{PS})，并计算最大占空比 (D{MAX })。计算公式为 (D{MAX }=frac{N{PS } timesleft(V{OUT }+V{F}right)}{V{BULK (min )}+N{PS } timesleft(V{OUT }+V{F}right)})。
3. 变压器电感和峰值电流：根据 CCM 条件选择变压器磁化电感 (L{P})，并计算 MOSFET 和输出二极管的电流应力。计算公式为 (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. 输出电容器：根据输出电压纹波要求选择总输出电容，计算公式为 (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. 电流检测网络：由初级侧电流检测电阻器 (R{CS})、滤波元件 (R{CSF}) 和 (C{CSF}) 以及可选 (R{P}) 组成，可通过 (R_{P}) 注入失调电压降低电流检测损耗。
6. 栅极驱动电阻器：(R_{G}) 的选择需权衡开关损耗和 EMI 性能，本例中选择 10Ω 电阻器。
7. VREF 电容器：使用陶瓷电容器对基准电压进行旁路，选择 1µF、16V 陶瓷电容器，并使其靠近 VREF 和 GROUND 引脚。
8. RT/CT：内部振荡器使用计时电容器 (C{CT}) 和计时电阻器 (R{RT}) 编程振荡器频率和最大占空比，本例中选择 15.4kΩ 和 1000pF，以实现 110kHz 开关频率。
9. 启动电路：启动时通过高压电阻器 (R_{START}) 从高压体获得功率，选择 100kΩ 电阻，VCC 电容器选择 120µF 以提供足够能量并保持启动时间约 2 秒。
10. 电压反馈补偿：包括功率级极点和零点分析、斜坡补偿、开环增益计算和补偿环路设计等，以确保转换器的稳定性和良好的瞬态响应。

五、电源相关建议与布局指南

电源相关建议

1. 使用 0.1µF 至 1µF 陶瓷电容器将 IC 电源 (VCC) 和基准电压 (VREF) 引脚旁路至接地，离线应用中可能需第二个更大的滤波电容器。
2. ISENSE 上可能需要 RC 电流检测滤波器，保持时间常数远低于最小导通时间脉冲宽度。
3. OUTPUT 引脚上可能需要肖特基二极管防止过冲和下冲，MOSFET 栅极和源极之间放置泄放电阻器防止欠压锁定期间激活电源开关。
4. 使用靠近 IC 封装的陶瓷电容器将 VREF 旁路至接地，基准上的外部负载需要额外的 VREF 旁路。

布局指南

1. 反馈走线：尽量远离电感器和噪声电源走线，保持直接明了且稍宽，可在 PCB 另一侧铺设并使用接地平面分开。
2. 旁路电容器：低值陶瓷旁路电容器应靠近器件 VCC 引脚，使用表面贴装电容器减少引线长度和噪声耦合。
3. 补偿元件：外部补偿元件应靠近 IC，使 VFB 引线长度短、杂散电容小，建议使用表面贴装元件。
4. 走线和接地平面：电源走线应短、直且粗，电感器、输出电容器和输出二极管应靠近，IC、输入电容器、输出电容器和输出二极管的接地应紧密相连，可使用接地平面减少噪声和 EMI。

UCx84x系列电流模式PWM控制器凭借其丰富的特性和广泛的应用适应性，为电子工程师在电源设计中提供了强大的工具。通过深入了解其特性、引脚功能和应用设计方法，我们可以更好地利用这些控制器实现高效、稳定的电源设计。大家在实际应用中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。