辐射加固型电流模式PWM控制器UC1843B-SP的设计与应用

在电源设计的领域中，一款性能卓越且稳定可靠的控制器至关重要。今天，我们就来深入探讨一下UC1843B-SP这款辐射加固型电流模式PWM控制器，它在诸多方面展现出了独特的优势，为电源设计带来了新的思路和解决方案。

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1. 产品概述

UC1843B-SP是一款QML Class V级别的辐射加固型电流模式PWM控制器，适用于离线和DC - DC转换器。它具有低启动电流（<0.5 mA）、自动前馈补偿、逐脉冲电流限制、增强的负载响应特性等一系列出色的特性。其辐射硬度保证（RHA）高达100 - krad(Si)总电离剂量（TID），能够在恶劣的辐射环境下稳定工作，这使得它在航空航天、通信等对可靠性要求极高的领域具有广泛的应用前景。

2. 产品特性剖析

2.1 电气特性

UC1843B-SP的电气特性十分出色。其内部基准电压源输出电压在25°C时为4.85 - 5.1 V，具有良好的线性调整率和负载调整率，温度稳定性也控制在较低水平（0.2 - 0.4 mV/°C）。振荡器的初始精度在25°C时为47 - 57 kHz，电压稳定性和温度稳定性也能满足大多数应用的需求。误差放大器具有高增益带宽和良好的电源抑制比（PSRR），能够有效提高系统的控制精度。

2.2 功能特性

• 电流模式控制：采用双环电流模式控制系统，能够实现输入电压前馈特性，快速响应输入电压变化，同时简化了电流限制的设计，提高了系统的可靠性和稳定性。对于电感电流连续的转换器，还能将控制到输出的频率响应从双极点降低到单极点，简化误差放大器的补偿电路设计，提高系统的小信号动态响应。
• UVLO（欠压锁定）：UVLO电路确保在VCC达到足够电压（开启阈值为8.4 V，关闭阈值为7.6 V）时才使输出级工作，具有0.6 V的滞回特性，防止电源排序期间VCC振荡。启动电流小于1 mA，有利于从离线转换器的整流输入进行高效自举。
• 图腾柱输出：PWM具有单图腾柱输出，可提供±1 - A的峰值电流驱动MOSFET栅极，平均电流为200 mA，适用于双极型功率晶体管。通过在图腾柱输出和MOSFET栅极之间放置电阻可以限制峰值电流，同时使用肖特基二极管可以防止输出电压过低，提高系统的稳定性。

3. 应用领域与典型设计

3.1 应用领域

UC1843B-SP可用于设计各种拓扑的DC - DC转换器，如降压、升压、反激和正激等。通过外部接口电路，还能支持推挽、半桥和全桥等拓扑，广泛应用于通信有效载荷、光学成像有效载荷、雷达成像有效载荷等领域。

3.2 典型应用设计步骤

3.2.1 开关频率选择

开关频率的选择需要在效率和带宽之间进行权衡。较高的开关频率可以获得更大的带宽，但效率会相对降低。在本次设计中，选择了200 kHz的开关频率，通过公式(f{osc} approx frac{1.72}{R{osc} × C_{osc}})计算得出(R_T)和(C_T)分别为7.15 kΩ和1200 pF。

3.2.2 变压器设计

变压器的设计主要涉及匝数比和初级电感。匝数比的计算公式为(N{psMAX}=frac{V{inMIN} × D{lim}}{(V{out} + V{Diode}) × (1 - D{lim})})，在本次设计中，目标占空比为50%，计算得出最大匝数比为3.5，实际使用匝数比为3.33。辅助绕组的匝数比通过(N{pa}=frac{N{ps} × (V{out} + V{Diode})}{V{aux}})计算得出为1.46，实际使用1.43。初级电感根据百分比纹波电流计算，公式为(L{PRI}=frac{V{inMAX}^2 × D{MIN}^2}{V{out} × I{out} × f{osc} × %{Ripple}})，计算得出为25 μH，实际使用21 μH。

3.2.3 RCD二极管钳位设计

RCD二极管钳位的设计需要先确定允许的节点过冲电压(V{clamp}=K{clamp} × N{ps} × (V{out} + V{Diode}))，推荐(K{clamp})为1.5。然后根据变压器的寄生电感和允许的钳位电压变化，使用公式(R{clamp}=frac{V{clamp}^2}{frac{1}{2} × L{leakage} × I{Pripeak}^2 × frac{V{clamp}}{V{clamp} - N{ps} × (V{out} + V{Diode})} × f{osc}})和(C{clamp}=frac{V{clamp}}{Delta V{clamp} × V{clamp} × R{clamp} × f{osc}})计算电阻和电容的初始值。

3.2.4 输出二极管选择

输出二极管的电压应力通过(V{DiodeStress}=V{out}+frac{V{inMAX}}{N{ps}})计算得出为17 V，实际选择电压额定值为60 V的二极管，以确保能够承受可能出现的寄生尖峰电压。

3.2.5 输出滤波器和电容设计

输出电容的选择需要满足电压纹波和输出电流负载阶跃的要求，通过公式(C{out}>frac{I{out} × D{MAX}}{V{Ripple} × f{osc}})和(C{out}>frac{Delta I{step}}{2 pi × Delta V{out} × f_{co}})计算得出最小电容值。在本次设计中，选择了约1145 pF的电容，并添加了输出滤波器和电感来进一步降低输出电压纹波。

3.2.6 补偿设计

通过计算反激转换器的极点和零点，选择Type IIB补偿来补偿这些极点和零点。补偿极点建议放置在转换器的右半平面零点（RHPZ）附近，补偿零点建议放置在预期交叉频率的前一个十倍频程。通过合理选择补偿电阻和电容的值，可以控制系统的增益，同时保持系统的稳定性。

3.2.7 感测电阻和斜率补偿

感测电阻用于感测变压器的纹波电流，并在转换器的峰值电流过高时关闭开关周期。感测电阻的计算公式为(R{cs}=frac{V{CS} Threshold - V{Slope Comp Offset}}{I{limit}})，在本次设计中，选择了0.075 Ω的感测电阻。斜率补偿通过BJT实现，其最佳值可以通过一系列公式计算得出。

4. 布局与电源建议

4.1 布局指南

• 电感选择：优先选择低EMI的铁氧体封闭磁芯电感，如环形和封装E型磁芯电感。如果使用开放磁芯电感，应确保其具有低EMI特性，并远离低功率走线和组件。
• 反馈走线：反馈走线应尽量远离电感和嘈杂的功率走线，保持走线直接且适当加粗，必要时可将其布置在与电感相对的PCB一侧，并使用接地平面进行隔离。
• 输入/输出电容：低阻值陶瓷输入滤波电容应尽可能靠近IC的VIN引脚，以减少走线电感的影响。如果需要使用前馈电容，也应将其靠近IC放置。
• 补偿组件：外部补偿组件应靠近IC放置，建议使用表面贴装组件，避免靠近电感。
• 走线和接地平面：所有功率（高电流）走线应尽可能短、直且粗，标准PCB上的走线宽度应至少为每安培15 mils（0.381 mm）。电感、输出电容和输出二极管应尽量靠近，以减少EMI辐射和噪声尖峰。IC、输入电容、输出电容和输出二极管的接地应直接连接到接地平面，建议在PCB的两侧都设置接地平面，以减少接地环路误差和吸收电感辐射的EMI。对于多层板，可以使用接地平面分隔功率平面和信号平面，以提高性能。

4.2 电源建议

UC1843B-SP设计用于在8 - 32 V的输入电压范围内工作，输入电源应进行良好的调节。如果输入电源与转换器之间的距离较远，除了陶瓷旁路电容外，还可能需要额外的大容量电容。通常可以选择100 μF的钽电容，但具体值应根据设备的启动电路进行调整。

UC1843B-SP以其出色的特性和广泛的应用场景，为电子工程师在电源设计方面提供了一个可靠的选择。在实际设计过程中，我们需要根据具体的应用需求，合理选择参数和进行布局设计，以充分发挥其性能优势。大家在使用UC1843B-SP进行设计时，有没有遇到过一些独特的问题或者有什么独特的设计经验呢？欢迎在评论区分享交流。