Onsemi高性能电流模式控制器UC3842B/UC3843B等型号深度解析

引言

在电源设计领域，合适的控制器对于实现高效、稳定的电源转换至关重要。Onsemi的UC3842B、UC3843B、UC2842B、UC2843B系列高性能固定频率电流模式控制器，凭借其诸多优势在离线和DC - DC转换器应用中得到广泛应用。本文将深入剖析这些控制器的技术细节，为电子工程师在实际设计中提供有价值的参考。

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产品概述

UC3842B、UC3843B系列专为离线和DC - DC转换器应用而设计，能以最少的外部组件实现高性价比的解决方案。这些集成电路具有精确的占空比控制、温度补偿参考、高增益误差放大器、电流感应比较器以及适用于驱动功率MOSFET的高电流图腾柱输出等特性。同时，还具备输入和参考欠压锁定、逐周期电流限制、可编程输出死区时间和单脉冲计量锁存等保护功能。

这些器件有8引脚双列直插、8引脚表面贴装（SOIC - 8）和14引脚塑料表面贴装（SOIC - 14）等封装形式，其中SOIC - 14封装为图腾柱输出级提供了独立的电源和接地引脚。UCX842B的欠压锁定（UVLO）阈值为16V（开启）和10V（关闭），适用于离线转换器；UCX843B的UVLO阈值为8.5V（开启）和7.6V（关闭），更适合低电压应用。

关键特性分析

振荡器

振荡器频率由定时组件(R_T)和(C_T)的值编程确定。在50kHz时，振荡器阈值经过温度补偿，误差在±6%以内；在250kHz时，能保证在±10%的误差范围内工作。(R_T)的值唯一地决定了UC384xx的最大占空比。

其工作原理是：电容(C_T)通过电阻(RT)从(V{ref})源充电至峰值阈值（典型值2.8V），此时内部8.3mA的电流源(I_{dischg})开启，(CT)上的电压开始下降。当电压降至谷值阈值（典型值1.2V）时，(I{dischg})关闭，(CT)再次从(V{ref})充电，如此循环，(R_T / C_T)引脚产生锯齿波。

最大占空比(D{max})由公式(D{max }=frac{ln left(frac{V{R T / C T( valley )}-V{ref }}{V{R T / C T( peak )}-V{ref }}right)}{ln left(frac{V{R T / C T( valley )}-V{ref }}{V{R T / C T( peak )}-V{ref }}cdotfrac{R{T} I{dischg }+V{R T / C T (peak) }-V{ref }}{R{T} I{dischg }+V{R T / C T( valley )}-V{ref }}right)})确定，显然(D_{max})由(R_T)决定。为保证正常的振荡器操作，(R_T)的绝对最小值不应小于542Ω ，考虑10%的容差，最近的标准电阻680Ω是可使用的绝对最小值。在一些对噪声敏感的应用中，还可通过向特定电路施加时钟信号将转换器的频率锁定到外部系统时钟，为了可靠同步，自由运行的振荡器频率应设置为比时钟频率低约10%。

误差放大器

提供了一个全补偿的误差放大器，具有90dB的典型直流电压增益和1.0MHz的单位增益带宽以及57度的相位裕度。其反相输入和输出可访问，同相输入内部偏置为2.5V且未引出引脚。转换器输出电压通常通过电阻分压器进行分压并由反相输入监测。最大输入偏置电流为 - 2.0μA，会导致输出电压误差，误差大小等于输入偏置电流与等效输入分压器源电阻的乘积。

误差放大器输出（引脚1）用于外部环路补偿，输出电压经过两个二极管压降（≈1.4V）偏移并除以3后连接到电流感应比较器的同相输入。这确保了当引脚1处于最低状态（(V{OL})）时，输出（引脚6）不会出现驱动脉冲，例如在电源工作且负载移除或软启动开始时。误差放大器的最小反馈电阻由放大器的源电流（0.5mA）和达到比较器1.0V钳位电平所需的输出电压（(V{OH})）限制，计算公式为(R_{f(min )}=frac{3.0(1.0 V)+1.4 V}{0.5 mA}=8800 Omega)。

电流感应比较器和PWM锁存

这些控制器作为电流模式控制器工作，输出开关的导通由振荡器启动，当峰值电感电流达到误差放大器输出/补偿（引脚1）设定的阈值电平时终止。因此，误差信号逐周期控制峰值电感电流。

通过在输出开关Q1的源极串联接地参考感测电阻(RS)，将电感电流转换为电压，该电压由电流感应输入（引脚3）监测并与误差放大器输出得出的电平进行比较。正常工作条件下，峰值电感电流由引脚1的电压控制，公式为(I{pk}=frac{V{(Pin 1)}-1.4 V}{3 R{S}})；在异常操作条件下，如电源输出过载或输出电压感测丢失，电流感应比较器阈值将内部钳位到1.0V，最大峰值开关电流为(I{pk(max )}=frac{1.0 V}{R{S}})。在设计高功率开关稳压器时，可通过调整内部钳位电压来降低(RS)的功耗，但过度降低(I{pk(max )})钳位电压可能导致因噪声拾取而出现不稳定操作。此外，电流波形前沿的窄尖峰可能导致输出轻载时电源不稳定，可通过在电流感应输入上添加时间常数近似尖峰持续时间的RC滤波器来消除这种不稳定。

欠压锁定

采用了两个欠压锁定比较器，分别监测正电源端子（(V{CC})）和参考输出（(V{ref})），每个比较器都有内置的迟滞功能，以防止在跨越各自阈值时输出行为不稳定。UCX842B的(V{CC})比较器上下阈值为16V/10V，UCX843B为8.4V/7.6V；(V{ref})比较器上下阈值为3.6V/3.4V。

UCX842B的大迟滞和低启动电流使其非常适合离线转换器应用，而UCX843B则适用于低电压DC - DC转换器应用。此外，从(V{CC})到地连接了一个36V的齐纳二极管作为并联稳压器，以保护IC免受系统启动时可能出现的过电压影响。UCX842B的最小工作电压（(V{CC})）为11V，UCX843B为8.2V。

这些器件的图腾柱输出级专为直接驱动功率MOSFET而设计，能够提供高达±1.0A的峰值驱动电流，在1.0nF负载下典型的上升和下降时间为50ns。此外，当欠压锁定激活时，内部电路会使输出保持在灌电流模式，无需外部下拉电阻。SOIC - 14表面贴装封装为(VC)（输出电源）和电源接地提供了独立引脚，能显著降低施加在控制电路上的开关瞬态噪声水平，在降低(I{pk(max )})钳位电平时特别有用，独立的(VC)电源输入还为设计师提供了独立于(V{CC})调整驱动电压的灵活性。

参考

在(T_J = 25^{circ}C)时，UC284XB的5.0V带隙参考经过调整，公差为±1.0%，UC384XB为±2.0%。其主要用途是为振荡器定时电容提供充电电流。该参考具有短路保护功能，能够提供超过20mA的电流，为额外的控制系统电路供电。

设计注意事项

电路布局

设计时，切勿在绕线或插件原型板上构建转换器。高频电路布局技术对于防止脉冲宽度抖动至关重要，脉冲宽度抖动通常是由于电流感应或电压反馈输入上的过多噪声拾取引起的。可通过降低这些点的电路阻抗来提高抗噪能力。

印刷电路板布局应包含一个接地平面，低电流信号和高电流开关及输出接地应通过单独的路径返回输入滤波电容。根据电路布局，可能需要将陶瓷旁路电容（0.1μF）直接连接到(V_{CC})、(VC)和(V{ref})，以提供用于过滤高频噪声的低阻抗路径。所有高电流回路应尽可能短，使用粗铜走线以减少辐射EMI。误差放大器补偿电路和转换器输出电压分压器应靠近IC放置，并尽可能远离功率开关和其他产生噪声的组件。

次谐波振荡问题

电流模式转换器在占空比大于50%且电感电流连续时可能会出现次谐波振荡。这种不稳定性与稳压器的闭环特性无关，是由固定频率和峰值电流检测的同时工作条件引起的。为了克服这个问题，可以通过向控制电压添加与PWM时钟同步的人工斜坡来实现斜坡补偿，补偿斜坡（(m_3)）的斜率必须等于或略大于(m_2/2)才能保证稳定，采用(m_2/2)的斜率补偿时，平均电感电流会跟踪控制电压，实现真正的电流模式操作。补偿斜坡可以从振荡器导出并添加到电压反馈或电流感应输入中。

产品应用示例

文档中给出了一个27W离线反激式稳压器的示例，该稳压器使用UC3842B/UC3843B等控制器。测试结果显示，在不同的输入电压和负载条件下，该稳压器表现出良好的性能，如5.0V输出的线性调整率在(V{in}=95)至(130Vac)时为±0.5%，负载调整率在(I{out}=1.0A)至(4.0A)时为±3.0%，输出纹波为40mVpp，效率达到70%。

订购信息

这些控制器提供多种不同的封装形式和工作温度范围选择，如SOIC - 14、SOIC - 8和PDIP - 8等封装，工作温度范围涵盖了从 - 40°C到 + 105°C等不同规格，工程师可以根据实际应用需求进行选择。同时，不同的封装和订单数量对应不同的运输方式，如卷带包装等。

总结

Onsemi的UC3842B、UC3843B、UC2842B、UC2843B系列高性能固定频率电流模式控制器具有丰富的特性和良好的性能，在离线和DC - DC转换器应用中具有很大的优势。然而，在实际设计中，工程师需要充分考虑振荡器、误差放大器、电流感应比较器等各个部分的工作原理和特性，同时注意电路布局和次谐波振荡等问题，以确保设计出的电源系统稳定、高效。希望本文的分析能为电子工程师在使用这些控制器进行设计时提供有益的帮助。