UCC280x系列低功耗BiCMOS电流模式PWM控制器：设计指南与应用解析

引言

在电源设计领域，对于高性能、低功耗PWM控制器的需求日益增长。UCC280x系列低功耗BiCMOS电流模式PWM控制器应运而生，为开关模式电源（SMPS）、DC - DC转换器等应用提供了强大而可靠的解决方案。本文将深入探讨UCC280x系列的特性、应用及设计要点，希望能为电子工程师们在实际设计中提供有价值的参考。

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UCC280x系列概述

UCC280x系列包含UCC2800、UCC2801、UCC2802、UCC2803、UCC2804和UCC2805等型号。这些高速、低功耗的集成电路集成了离线和DC - DC固定频率电流模式开关模式电源所需的所有控制和驱动组件，且所需外部组件数量极少。它们与UCx84x系列具有相同的引脚配置，同时还具备内部全周期软启动和电流感测输入的内部前沿消隐等额外特性。

关键特性

1. 低功耗：典型启动电源电流仅100μA，典型工作电源电流为500μA，有效降低了系统功耗。
2. 高频工作：能够运行至1MHz的频率，满足高速开关的需求。
3. 软启动功能：内部软启动和故障软启动，减少启动时的电流冲击。
4. 前沿消隐：对电流感测信号进行内部前沿消隐，减少干扰。
5. 高驱动能力：1A图腾柱输出，可有效驱动功率MOSFET。
6. 快速响应：从电流感测到栅极驱动输出的典型响应时间为70ns。
7. 精确参考电压：1.5%容差的电压参考，保证了系统的稳定性。

应用领域

UCC280x系列广泛应用于开关模式电源（SMPS）、DC - DC转换器、电源模块、汽车电源、电池供电电源等领域。不同型号根据其特性适用于不同的应用场景，例如UCC2803和UCC2805适合电池供电系统，而UCC2802和UCC2804则更适用于离线电源。

详细特性分析

引脚功能

1.COMP：误差放大器的输出和PWM比较器的输入。UCC280x系列的误差放大器是真正具有低输出阻抗和2MHz带宽的运算放大器，可同时提供和吸收电流。通过外部将COMP拉至GND可实现零占空比。芯片内置全周期软启动功能，无需外部软启动电路。

2. FB：误差放大器反相输入引脚。为保证稳定性，应尽量缩短FB引脚引线长度并减小杂散电容。其带宽达到2MHz，反馈技术与UC3842系列相同。
3. CS：电流感测比较器的输入，包含PWM比较器和过流比较器。UCC280x系列采用数字电流感测滤波，在OUT引脚上升沿后的100ns内断开CS引脚与电流感测比较器的连接，即前沿消隐，减少了对外部RC滤波器的需求，降低了CS到OUT的传播延迟。过流比较器用于故障检测，超过过流阈值会触发软启动周期
4. RC：振荡器定时引脚。通过连接电阻从REF到RC设置定时电容充电电流，连接定时电容从RC到GND设置频率。建议使用独立接地走线，并保持定时电容引线尽可能短而直接。不同型号的UCC28x使用不同的频率计算公式：
   • UCC2802和UCC280x：(f=frac{1}{R times C})
   • UCC2803和UCC2805：(f=frac{1.0}{R times C}) 其中频率f单位为Hz，电阻R单位为Ω，电容C单位为法拉。推荐的定时电阻范围为10kΩ - 200kΩ，定时电容范围为100pF - 1000pF。
5. GND：信号和电源返回地。建议将信号返回路径和高电流栅极驱动路径分开，避免开关电流对信号的影响。
6. OUT：高电流功率驱动器的输出，可驱动功率MOSFET的栅极，峰值电流超过±750mA。当VCC低于欠压锁定（UVLO）阈值时，OUT被主动拉低。输出级采用FET输出器件，可实现全范围的开关，且对过冲和下冲具有低阻抗，减少了对外部肖特基钳位二极管的需求。
7. VCC：电源输入连接。正常工作时，VCC通过限流电阻供电。总电源电流是静态VCC电流和平均OUT电流之和，可根据公式 (I{OUT }=Q{g} times f) 计算平均OUT电流，其中 (Q_{g}) 为MOSFET栅极电荷，f为开关频率。UCC280x的VCC钳位电压典型值为13.5V，低于UC3842的30V。为防止噪声问题，需在VCC和GND之间连接陶瓷电容，并尽可能靠近VCC引脚。
8. REF：误差放大器和其他功能的电压参考，也是高速开关逻辑的逻辑电源。当VCC大于1V且低于UVLO阈值时，REF通过5kΩ电阻拉至地，可作为逻辑输出指示电源系统状态。REF需通过陶瓷电容旁路到地，对于外部负载大于2.5mA的情况，还需额外的旁路措施。

欠压锁定（UVLO）

UCC280x系列具有欠压锁定保护电路，可在电源上电和下电过程中实现受控操作。UVLO电路会监测电源电压（VCC）和参考电压（Vref）。不同型号的UVLO阈值不同，例如UCC2802和UCC2804的典型开启阈值为12.5V，关闭阈值为8.3V，具有4.3V的滞后；UCC2803和UCC2805的开启阈值为4.1V，关闭阈值为3.6V，滞后为0.5V。在UVLO期间，IC的电源电流约为100μA，一旦超过开启阈值，电流通常会增加到约500μA。

自偏置、有源低输出

UCC280x系列的自偏置、有源低钳位电路可消除MOSFET误开启的潜在问题。在UVLO期间，当PWM输出电压上升时，P器件驱动较大的N型开关导通，将输出电压钳位为低电平。该电路的电源由外部上升的栅极电压提供，确保在欠压锁定期间无论IC的电源电压如何，都能提供全面保护。

参考电压

UCC2800、UCC2801、UCC2802和UCC2804的参考电压为5V，UCC2803和UCC2805的参考电压为4V，精度均为±1.5%，优于UC3842系列的±2%。输出短路电流较低，为5mA。REF必须通过陶瓷电容旁路到地，以防止振荡和噪声问题。当VCC低于UVLO阈值时，REF被拉低，可作为UVLO状态指示。

振荡器

UCC280x系列的振荡器在RC引脚产生锯齿波。上升时间由 (R{T}) 和 (C{T}) 的时间常数决定，下降时间由 (C_{T}) 和内部晶体管的导通电阻（约130Ω）决定。振荡器的峰 - 峰幅度增加到典型的2.45V，下限阈值降至约0.2V，上限阈值约为2.65V。放电电流增加到近20mA峰值，有助于实现高频操作下的短死区时间和高占空比。

同步

UCC280x系列的PWM控制器可通过通用技术实现同步。将IC的振荡器编程为以比同步频率低约20%的频率自由运行，通过在50Ω电阻上施加一个短暂的正脉冲来强制同步。通常，1V幅度、100ns宽度的脉冲适用于大多数应用。IC也可直接同步到振荡器RC引脚的脉冲序列输入，但需注意IC内部在超过振荡器上限阈值时会将该节点拉低，直到引脚电压降至约0.2V。

最小关断时间设置（死区时间控制）

死区时间用于确保PWM输出在每个振荡器周期内有足够的关断时间，以重置磁路元件并防止饱和。UCC280x系列的死区时间由内部130Ω的放电阻抗和定时电容值决定。较大的电容值会延长死区时间，较小的值会提高相同工作频率下的最大占空比。可通过在IC的RC引脚和定时组件之间添加电阻来增加死区时间，但需注意避免使用过高的电阻，以免降低死区时间和振荡器的峰 - 峰幅度。

前沿消隐

UCC280x系列对电流感测输入电路应用了100ns的前沿消隐间隔，可消除对外部电阻 - 电容滤波网络的需求，抑制功率MOSFET开启时的开关尖峰。该前沿消隐也应用于逐周期电流限制功能和过流故障比较器。

电流限制

UCC280x系列内置1V（典型）的逐周期电流限制阈值，100ns的前沿消隐脉冲可防止前沿开关噪声触发电流限制功能。从电流限制比较器到输出的传播延迟通常为70ns，可在过载时缩短导通时间，减少功率半导体的损耗。为提高电流感测电路的效率，可使用偏置电路，通过电阻 (R{A}) 和 (R{B}) 对实际电流感测电阻电压进行偏置，实现低功耗的电流感测和电流限制保护。

过流保护和全周期重启

UCC280x系列内部的过流比较器用于处理电源输出短路或严重过载的情况。过流比较器的阈值为1.5V，受前沿消隐信号控制，防止误触发。一旦触发，过流比较器会利用内部软启动电容产生延迟后再尝试重试，即“打嗝”模式。全周期软启动确保在故障期间连续尝试操作之间有大于3ms的可预测延迟，可显著降低主转换器和开关组件的输入和耗散功率。

软启动

UCC280x系列通过逐渐增加误差放大器（E/A）输出电压实现PWM输出的内部软启动。在电流模式控制中，可缓慢提高每个PWM周期的峰值开关电流；在电压模式（占空比）控制中，可逐渐加宽脉冲宽度。内部软启动电容（Css）在欠压锁定转换或参考电压低于正常工作最小值时放电，过流保护比较器触发故障时也会放电。软启动通过将E/A放大器输出钳位到内部软启动电容（Css）来实现，Css由电流源充电，当Css充电超过误差放大器为正常PWM操作所命令的电压时，软启动钳位电路被覆盖。

斜率补偿

在所有电流模式控制应用中，可添加斜率补偿以消除峰值到平均电流误差。对于占空比超过50%的应用，斜率补偿是必要的，同时也可提高占空比低于50%的应用的性能。通过将定时电阻分为两个串联电阻来偏置NPN跟随器，NPN电压跟随器驱动斜率补偿编程电阻（Rsc），为 (C_{F}) 提供斜率补偿电流。

应用与设计实例

典型应用电路

以UCC2800在峰值电流模式控制的反激式AC - DC转换器中的应用为例，展示了其在实际设计中的应用。

设计要求

设计一个12V、48W的离线反激式转换器，输入电压范围为85 - 265V RMS，输出电压为12V，输出电流为4A，输出纹波电压不超过120mV PP，最大负载效率为85%。

详细设计步骤

1. 选择合适的大容量电容：根据功率水平和所需的最小大容量电压，使用公式 (C{BULK }=frac{2 P{IN} timesleft[0.25+frac{1}{pi} times arcsin left(frac{V{BULK(min)}}{sqrt{2} times V{IN(min )}}right)right]}{left(2 V^{2}{IN(min )}-V^{2}{BULK(min )}right) times f_{LINE}}) 计算大容量电容值。为实现75V的最小大容量电压，考虑电容容差，选择180μF的电容。
2. 变压器设计：
   • 选择开关频率：综合考虑转换器尺寸和效率，选择110kHz的开关频率，可减小变压器尺寸并降低EMI滤波器的尺寸。
   • 确定变压器匝数比：根据所需的MOSFET电压额定值和二极管电压额定值，计算变压器匝数比。为使MOSFET电压不超过650V，选择匝数比为10。
   • 选择变压器电感：根据CCM条件，选择合适的变压器电感，使转换器在最小线电压下约10%负载时进入CCM操作，以减少传导损耗和输出纹波。计算得到变压器电感约为1.7mH，选择1.5mH的电感。
   • 确定辅助绕组电压：辅助绕组为UCC2800提供正常工作电源，选择辅助绕组电压与输出电压相同，以保持IC和驱动损耗较低，辅助绕组与输出绕组匝数比为1。
3. 计算MOSFET和二极管的电流应力：根据计算得到的电感值和开关频率，计算MOSFET和二极管的峰值电流和RMS电流。选择IRFB9N65A作为初级侧MOSFET，48CTQ060 - 1作为二极管。
4. 选择输出电容：根据输出电压纹波要求，使用公式 (C{OUT } geq frac{I{OUT } times frac{n{ps} V{OUT }}{V{Bulk (min )}+n{ps} V{OUT }}}{0.1 % times V{OUT } times f_{sw }}) 计算输出电容值。考虑电容容差和温度效应，选择3个680μF的电容并联。
5. 选择周边组件：
   • 电流感测网络：由 (R{CS})、(R{CSF})、(C{CSF}) 和可选的 (R{P}) 组成。选择 (C{CSF}) 为270pF以提供足够的滤波，选择 (R{CS}) 为0.75Ω以实现1.425A的初级侧峰值电流。可通过 (R{P}) 和 (R{CS}) 组成的电阻分压器网络注入偏移电压，减少电流感测损耗。
   • 栅极驱动电阻：选择 (R_{G}) 为10Ω，在EMI性能和开关损耗之间进行权衡。
   • Vref电容：选择1μF、16V的陶瓷电容作为Vref电容，并尽可能靠近REF和GND引脚放置。
   • (R{T}C{T})：选择 (R{T}) 为13.6kΩ，(C{T}) 为1000pF，以实现110kHz的开关频率。
   • 启动电路：选择150kΩ的启动电阻，在功率损耗和启动时间之间进行权衡。选择120μF的VCC电容，以在启动期间保持VCC电压高于UVLO阈值。
   • 电压反馈补偿：
     • 功率级增益、零点和极点：首先确定转换器是否工作在CCM模式，根据公式计算CCM模式下的DC开环增益、零点和极点。
     • 补偿环路：为实现良好的瞬态响应，将带宽限制在RHP零点频率的1/4，即约1.9kHz。选择输出电压感测电阻值，将补偿器零点 (f{C Z}) 放置在190Hz，极点放置在6kHz。根据补偿环路结构，计算 (R{LED}) 的值，使整个环路增益在交叉频率处等于1。

电源供应建议

UCC280x系列内部集成了VCC并联稳压器，可将电源电压调节在约13.5V。对于输入电压高于12V的情况，需要在VCC和输入电源之间串联一个电阻，以限制并联稳压器的电流。内部稳压器与器件的低启动和工作电流相结合，可大大简化器件的供电，在许多应用中可消除对稳压自举辅助电源和绕组的需求。为确保启动，UCC2802和UCC2804的UVLO启动阈值比并联稳压器电平低1V。在VCC和REF引脚与地之间连接0.1μF - 1μF的陶瓷电容，以进行噪声滤波，并尽可能靠近引脚放置。在离线应用中，可能需要一个更大的滤波电容，以在启动期间保持电源电压（VCC）高于UVLO关闭阈值。

布局指南

在进行UCC280x系列的布局时，除了遵循一般的电源管理IC布局指南（如星形接地、最小化电流环路、合理的阻抗水平等）外，还需考虑以下几点：

1. 使用接地平面：尽可能使用接地平面，以最小化接地电路上的电压降和寄生电感引入的噪声。
2. 去耦电容：在VCC和REF引脚与地之间连接去耦电容，并尽可能靠近IC。
3. **定时电容