UC2843電流型PWM控制器基礎知識詳解

UC2843系列是高性能固定頻率電流模式PWM控制器，專為離線和DC-DC轉換器應用而設計。它們提供了在成本效益高的電路中實現高效和可靠電源所需的特性。這些控制器通過在各種負載和輸入電壓條件下提供卓越的瞬態響應，以及固有的逐周期電流限制能力，簡化了開關電源的設計。

1. UC2843概述

UC2843是一款廣泛應用于開關電源（SMPS）的集成電路，特別是那些需要精確電流控制的應用。它屬于UCx84x系列控制器，這個系列在工業界享有盛譽，以其穩定性、可靠性和易用性而聞名。UC2843采用電流模式控制方案，這種控制方式相比傳統的電壓模式控制具有諸多優勢，例如更快的瞬態響應、固有的過流保護、以及在某些拓撲中更簡單的環路補償。

UC2843內部集成了誤差放大器、振蕩器、PWM比較器、電流檢測比較器、參考電壓源、欠壓鎖定（UVLO）和圖騰柱輸出級等關鍵模塊。這些模塊協同工作，使得UC2843能夠高效地控制開關管的導通時間，從而穩定輸出電壓或電流。

2. 電流模式控制原理

電流模式控制是UC2843的核心。在這種控制模式下，控制環路有兩個反饋：一個外部電壓反饋環路和一個內部電流反饋環路。

電壓外環： 類似于傳統的電壓模式控制，輸出電壓通過分壓電阻反饋給誤差放大器的反相輸入端。誤差放大器將反饋電壓與內部參考電壓（通常是5V）進行比較，產生一個誤差電壓。這個誤差電壓作為內部電流環路的參考，決定了峰值電感電流的大小。

電流內環： 這是電流模式控制的關鍵所在。開關管導通時，流過電感（或主開關）的電流被一個檢測電阻（通常是一個小阻值的采樣電阻）轉換為電壓信號。這個電流信號被送入電流檢測比較器。當電流檢測信號達到由誤差放大器設定的峰值時，PWM比較器將輸出關閉信號，關斷開關管。這意味著，每個開關周期中，開關管的導通時間由流過電感的峰值電流決定，而不是直接由輸出電壓決定。

電流模式控制的優勢：

• 逐周期電流限制： 這是電流模式控制最顯著的優勢之一。每個開關周期，只要檢測到的峰值電流超過設定的閾值，PWM輸出就會立即關斷。這提供了一種快速、有效的過流保護機制，防止開關管和磁性元件在過載或短路條件下損壞。

• 更快的瞬態響應： 當輸入電壓或負載發生變化時，輸出電壓會立即發生變化。在電壓模式控制中，誤差放大器需要時間來響應并調整PWM占空比。而在電流模式控制中，由于電感電流被直接控制，內部電流環路能夠更快地響應這些變化，從而提供更快的輸出電壓瞬態響應。

• 消除輸出電感ESR對系統穩定性的影響： 在電壓模式控制中，輸出電感的等效串聯電阻（ESR）會在傳輸函數中引入一個零點，這可能會導致系統不穩定，尤其是在高頻下。在電流模式控制中，由于內部電流環路的存在，系統對輸出電感的ESR不敏感，從而簡化了環路補償。

• 更簡單的環路補償： 由于內部電流環路的作用，電源級的傳輸函數更接近一個一階系統，這使得外部電壓環路的補償設計變得更加簡單。通常只需要一個簡單的RC補償網絡就能實現良好的穩定性。

• 固有的電流均流能力： 在多相電源中，如果采用電流模式控制，各個并聯相的電流能夠更容易地實現均流，因為每個相的電流都被獨立控制。

電流模式控制的局限性：

• 次諧波振蕩： 在占空比大于50%時，電流模式控制可能會出現次諧波振蕩（subharmonic oscillation），導致系統不穩定。這是因為在下一個開關周期開始時，電感電流的斜率無法準確地從前一個周期的終點開始。為了解決這個問題，通常需要加入斜坡補償（slope compensation），即在電流檢測信號中疊加一個斜坡電壓。UC2843內部不包含斜坡補償電路，因此在需要高占空比的應用中，外部通常需要增加斜坡補償。

• 對噪聲敏感： 電流檢測信號通常是小信號，容易受到噪聲的干擾，這可能會導致PWM波形的抖動。因此，需要仔細布局PCB，并采取適當的濾波措施。

3. UC2843內部模塊詳解

UC2843的內部結構設計精巧，各個模塊協同工作，確保其高性能運行。

3.1 欠壓鎖定（UVLO）

UC2843的供電電壓（VCC）引腳有一個欠壓鎖定功能。當VCC電壓低于UVLO閾值（通常在8.5V左右）時，控制器將處于關斷狀態，內部電路被禁用，輸出驅動器處于低電平。這可以防止在VCC電壓過低時，控制器工作異常或輸出驅動不足，從而保護開關管。當VCC電壓上升并超過UVLO閾值（通常在16V左右）時，控制器開始正常工作。UVLO通常具有遲滯，以防止VCC電壓在閾值附近抖動時，控制器反復啟停。

3.2 振蕩器（Oscillator）

振蕩器是UC2843的心臟，它產生固定頻率的時鐘信號，用于同步PWM開關。振蕩器的頻率由外部電阻（Rt）和電容（Ct）決定。

• Rt（電阻）： 連接在Rt引腳和地之間。

• Ct（電容）： 連接在Ct引腳和地之間。

振蕩頻率的計算公式通常為：fosc=RtCt1

請注意，這是一個近似公式，具體的系數可能因芯片型號和制造商而略有不同，需要查閱數據手冊獲取精確公式。振蕩器內部包含一個電流源，用于對Ct充電，以及一個比較器用于檢測Ct電壓達到預設峰值時進行放電，從而產生周期性的鋸齒波。這個鋸齒波也是PWM比較器的時鐘源，并與誤差電壓或電流檢測信號進行比較。

3.3 參考電壓（Reference Voltage）

UC2843內部集成了一個高精度的5V參考電壓源（VREF引腳）。這個參考電壓用于：

• 誤差放大器： 作為電壓反饋環路的基準。

• 提供內部偏置： 為芯片內部其他模塊提供穩定的工作電壓。

• 外部元件供電： 可以通過VREF引腳向外部的電位器或傳感元件提供少量電流。

VREF引腳通常需要并聯一個陶瓷電容到地，以提高其穩定性，濾除高頻噪聲。這個參考電壓具有很低的溫度漂移和良好的負載調整率。

3.4 誤差放大器（Error Amplifier）

誤差放大器是一個高增益跨導放大器，用于比較反饋電壓與內部參考電壓，并生成誤差電壓。

• 輸入： 誤差放大器有兩個輸入端：非反相輸入端（通常連接到內部5V參考電壓）和反相輸入端（COMP引腳）。

• 輸出： 誤差放大器的輸出是COMP引腳。

在電壓模式控制中，輸出電壓通過分壓電阻反饋到反相輸入端。在電流模式控制中，誤差放大器的輸出COMP引腳連接到PWM比較器的非反相輸入端，用于設定峰值電流參考。

誤差放大器是控制環路的關鍵部分，其帶寬和增益特性直接影響到電源的動態響應和穩定性。通過在COMP引腳和地之間連接外部補償網絡（通常是RC網絡），可以對控制環路進行補償，以確保系統的穩定性和優化瞬態響應。

3.5 電流檢測比較器（Current Sense Comparator）

電流檢測比較器是電流模式控制的核心。

• 輸入： 比較器的一個輸入是CS（Current Sense）引腳，連接到電流檢測電阻（R_sense）的電壓信號。另一個輸入是來自誤差放大器的COMP引腳輸出。

• 輸出： 當CS引腳的電壓超過COMP引腳設定的電壓時，電流檢測比較器輸出高電平，觸發PWM鎖存器復位，關斷輸出驅動器。

CS引腳的電壓通常與主開關電流成正比。為了避免開關噪聲的影響，通常需要在CS引腳和地之間并聯一個小的RC濾波器。

3.6 PWM鎖存器與PWM比較器（PWM Latch and PWM Comparator）

PWM鎖存器是一個SR鎖存器，其Set輸入由振蕩器的時鐘信號驅動，Reset輸入由電流檢測比較器或PWM比較器（如果存在）的輸出驅動。

• Set： 每個開關周期開始時，振蕩器產生的時鐘信號會Set鎖存器，使PWM輸出驅動器導通，從而開啟開關管。

• Reset： 當CS引腳的電壓（表示峰值電流）達到COMP引腳設定的閾值時，電流檢測比較器Reset鎖存器，使PWM輸出驅動器關斷，從而關閉開關管。

UC2843系列控制器通常還包含一個PWM比較器，用于在某些情況下提供額外的保護。例如，它可以將來自振蕩器的斜坡波形與COMP引腳的電壓進行比較，作為次諧波振蕩的附加保護或實現更復雜的控制功能。

3.7 圖騰柱輸出級（Totem-Pole Output Stage）

UC2843的輸出級是一個高電流圖騰柱結構，用于驅動外部功率MOSFET或BJT。

• 驅動能力： 具有高灌電流和拉電流能力，能夠快速地對功率管的柵極充電和放電，從而減小開關損耗。

• 欠壓保護： 在UVLO期間，輸出級被強制保持在低電平，以防止功率管誤導通。

為了最大限度地發揮其驅動能力并減少開關損耗，輸出引腳（OUT）到功率管柵極的走線應該盡量短，并且需要適當的柵極電阻來控制開關速度和抑制振蕩。

4. UC2843應用電路及其工作原理

UC2843最典型的應用是反激式（Flyback）和正激式（Forward）開關電源。這里我們以反激式電源為例，介紹其工作原理。

4.1 反激式電源基本原理

反激式電源是一種儲能式開關電源，其基本原理是：

• 導通階段： 當主開關管（通常是MOSFET）導通時，原邊繞組兩端電壓為輸入電壓，電流線性上升，磁芯被磁化，能量存儲在變壓器原邊繞組的電感中。此時副邊二極管反向偏置，輸出端由輸出電容供電。

• 關斷階段： 當主開關管關斷時，原邊繞組的電流被切斷，磁芯中的能量通過副邊繞組感應出的電壓釋放，副邊二極管正向偏置，電流流向輸出電容和負載。

4.2 UC2843在反激式電源中的應用

1. 啟動： 當輸入電壓加電后，VCC電容通過一個啟動電阻從輸入電壓充電。當VCC電壓達到UVLO上限閾值時，UC2843開始工作。

2. 振蕩器工作： 振蕩器產生固定頻率的鋸齒波。

3. 開關管導通： 每個周期開始時，振蕩器Set PWM鎖存器，UC2843的OUT引腳輸出高電平，驅動主開關管導通。

4. 電流檢測： 流過主開關管的電流通過一個電流檢測電阻（R_sense）轉換為電壓信號，送入CS引腳。

5. 誤差放大器： 輸出電壓通過分壓電阻反饋到誤差放大器的反相輸入端。誤差放大器將反饋電壓與內部5V參考電壓進行比較，其輸出（COMP引腳）電壓根據輸出電壓的偏差進行調整。

6. PWM控制： CS引腳的電流檢測電壓與COMP引腳的誤差電壓進行比較。當CS電壓達到COMP電壓時，電流檢測比較器Reset PWM鎖存器，OUT引腳輸出低電平，關斷主開關管。

7. 能量釋放： 開關管關斷后，變壓器中存儲的能量傳遞到副邊，為負載供電并對輸出電容充電。

8. VCC供電： 當電源正常工作后，通常會有一個輔助繞組為UC2843的VCC引腳提供穩定的工作電壓，以降低啟動電阻上的功耗。

9. 保護功能：

• 過流保護： 逐周期電流限制功能確保每個周期內的峰值電流不會超過設定值，從而防止開關管和變壓器損壞。

• 欠壓鎖定： 保護UC2843在供電電壓不足時工作異常。

• 熱關斷： UC2843內部通常包含熱關斷保護，當芯片溫度過高時，會關閉輸出，以防止芯片損壞。

5. 外圍元件的選擇與設計

UC2843的性能和穩定性很大程度上取決于外部元件的正確選擇和設計。

5.1 振蕩器部分（Rt和Ct）

• Rt： 選擇一個高質量的金屬膜電阻，以確保頻率穩定性。通常值在幾千歐到幾十千歐之間。

• Ct： 選擇一個低ESR、低ESL的陶瓷電容，以確保振蕩波形的平滑和準確。通常值在幾百皮法到幾納法之間。

• 頻率設定： 根據電源的拓撲、效率要求和磁性元件的設計來選擇開關頻率。較高的頻率可以減小磁性元件的體積，但會增加開關損耗；較低的頻率則相反。

5.2 VCC旁路電容

在VCC引腳和地之間放置一個0.1μF到1μF的陶瓷電容，以及一個10μF到47μF的電解電容。陶瓷電容用于濾除高頻噪聲，電解電容用于提供穩定的直流供電和在啟動時提供足夠的電荷。

5.3 VREF旁路電容

在VREF引腳和地之間放置一個0.1μF的陶瓷電容，以提高參考電壓的穩定性。

5.4 電流檢測電阻（R_sense）

• 阻值選擇： 根據所需的最大峰值電流和CS引腳的內部閾值（通常為1V）來選擇R_sense的阻值。Rsense=VCS(max)/Ipeak(max)。選擇阻值時，還需要考慮在最大電流下R_sense的功耗和發熱。

• 類型： 通常選擇低電感、無感或四端子電流檢測電阻，以減小寄生電感對電流檢測信號的影響。

• 布局： R_sense應該盡可能靠近主開關管和UC2843的CS引腳，以減小噪聲干擾。

5.5 CS引腳RC濾波器

在CS引腳和地之間放置一個RC濾波器，通常是幾十到幾百歐姆的電阻串聯一個幾百皮法到幾納法的電容。這個濾波器用于衰減主開關管開關瞬間產生的尖峰噪聲，防止其誤觸發電流檢測比較器。

5.6 誤差放大器補償網絡

• 類型： 通常是Type II或Type III補償網絡。對于UC2843，由于其內部電流環路，Type II補償（一個串聯RC網絡）通常就足夠了，甚至一個簡單的RC低通濾波器也可以。

• 目的： 補償網絡的目的是調整控制環路的開環增益和相位裕度，以確保系統的穩定性，并優化瞬態響應。

• 設計： 需要進行伯德圖分析來設計補償網絡，確保在穿越頻率處有足夠的相位裕度（通常大于45度）。

5.7 柵極驅動電阻（Rg）

在UC2843的OUT引腳和功率MOSFET的柵極之間串聯一個柵極電阻（Rg）。

• 作用： Rg的主要作用是限制MOSFET柵極的充放電電流，從而控制開關速度，減少開關噪聲和振鈴。同時，它也能衰減UC2843輸出級和MOSFET柵極電容之間可能形成的諧振。

• 選擇： Rg的選擇需要權衡開關損耗和EMI。較大的Rg會減慢開關速度，增加開關損耗，但會降低EMI；較小的Rg則相反。

5.8 啟動電阻

在啟動階段，通常通過一個高阻值的電阻從輸入母線為VCC電容充電。一旦電源正常工作，輔助繞組會接管UC2843的供電。啟動電阻的選擇需要確保在最低輸入電壓下也能提供足夠的啟動電流，并在最高輸入電壓下限制功耗。

6. UC2843的保護功能

UC2843內置了多種保護功能，進一步提高了電源的可靠性。

6.1 逐周期電流限制

這是電流模式控制固有的特性。每個開關周期，一旦檢測到的峰值電流超過由COMP引腳電壓設定的閾值，PWM輸出立即關斷。這有效地防止了過載、短路或輸入電壓瞬變引起的過大電流損壞開關管和磁性元件。

6.2 欠壓鎖定（UVLO）

如前所述，UVLO功能確保UC2843只在供電電壓VCC達到安全工作范圍時才啟動，并在VCC過低時強制關斷，防止其工作不穩定。

6.3 最大占空比限制

UC2843內部振蕩器通常會限制最大占空比，通常在95%左右，以確保在每個周期內有足夠的死區時間來防止直通（在某些拓撲中）或允許磁性元件復位。這也有助于防止磁飽和。

6.4 熱關斷（Thermal Shutdown）

UC2843內部集成了熱關斷保護電路。當芯片內部溫度超過預設閾值（通常在150°C左右）時，控制器會自動停止工作，關斷PWM輸出，以防止芯片因過熱而損壞。當溫度下降到安全范圍后，控制器會自動恢復工作，通常會有一定的遲滯。

7. UC2843與其他UCx84x系列的區別

UC2843是UCx84x系列中的一員，這個系列還包括UCx842、UCx844和UCx845。它們之間的主要區別在于：

• UVLO閾值：

• UC2842和UC2844：具有較高的啟動電壓閾值（例如，啟動電壓16V，關斷電壓10V）。適用于寬輸入電壓范圍，特別是離線AC-DC應用，因為它們可以更容易地從高壓輸入啟動。

• UC2843和UC2845：具有較低的啟動電壓閾值（例如，啟動電壓8.5V，關斷電壓7.9V）。更適用于DC-DC轉換器或那些VCC供電電壓較低的應用。

• 最大占空比：

• UC2842和UC2843：最大占空比通常在95%左右。

• UC2844和UC2845：最大占空比通常在48%左右。這使得UC2844/45更適合需要嚴格限制占空比的應用，例如正激式轉換器，因為它們通常需要更小的最大占空比來確保磁復位。

這些差異使得設計者可以根據具體的應用需求選擇最合適的控制器。例如，對于需要高占空比的反激式電源，UC2843是一個常見的選擇。對于要求最大占空比小于50%的正激式電源，UC2844/45可能是更好的選擇。

8. UC2843設計考量與調試技巧

8.1 PCB布局

• 短電流環路： 盡量縮短大電流環路，例如輸入電容、主開關管、變壓器原邊和電流檢測電阻之間的走線。

• 信號地和功率地分離： 盡量將小信號地（例如VREF、COMP、CS引腳的接地）與大電流功率地分離，并在一點匯合，以避免大電流在信號地上產生壓降，引入噪聲。

• 敏感信號走線： CS引腳、COMP引腳和振蕩器相關引腳的走線應盡量短，遠離噪聲源，并進行適當的屏蔽。

• VCC和VREF旁路電容： 旁路電容應盡可能靠近UC2843的引腳放置。

• 柵極驅動走線： OUT引腳到MOSFET柵極的走線應盡量短而粗，以減小寄生電感。

8.2 環路補償調試

• 增益裕度與相位裕度： 目標是確保在開環增益為0dB（穿越頻率）時，相位裕度至少為45度（最好60度或更多），增益裕度至少為10dB。

• 負載瞬態響應測試： 通過突然加載和卸載負載來測試輸出電壓的瞬態響應。觀察輸出電壓的過沖和下沖，以及恢復時間。根據需要調整補償網絡。

• 仿真工具： 使用SPICE等仿真工具可以大大簡化環路補償的設計和調試過程。

8.3 噪聲抑制

• RC濾波器： 在CS引腳添加RC濾波器。

• 磁珠和電容： 在關鍵的電源和信號線上添加磁珠和旁路電容來抑制高頻噪聲。

• 地線布局： 良好的地線布局是抑制噪聲的關鍵。

8.4 熱管理

UC2843在驅動大功率MOSFET時，其輸出級會產生一定的功耗。雖然其功耗通常不高，但在高環境溫度或高開關頻率下，仍需考慮其散熱問題。確保芯片在工作范圍內，必要時可以增加散熱銅箔。

9. 總結

UC2843電流型PWM控制器以其卓越的性能、強大的保護功能和易用性，在開關電源設計領域占據著重要的地位。理解其內部模塊的工作原理、電流模式控制的優勢與局限性、以及正確的外圍元件選擇和PCB布局是成功設計高性能開關電源的關鍵。盡管它是一款相對成熟的IC，但其經典的設計和可靠性使其至今仍被廣泛應用于各種電源產品中。通過深入理解其工作機制，工程師可以充分發揮UC2843的潛力，設計出高效、穩定且可靠的電源解決方案。