UC2843电流型PWM控制器基础知识详解

UC2843系列是高性能固定频率电流模式PWM控制器，专为离线和DC-DC转换器应用而设计。它们提供了在成本效益高的电路中实现高效和可靠电源所需的特性。这些控制器通过在各种负载和输入电压条件下提供卓越的瞬态响应，以及固有的逐周期电流限制能力，简化了开关电源的设计。

1. UC2843概述

UC2843是一款广泛应用于开关电源（SMPS）的集成电路，特别是那些需要精确电流控制的应用。它属于UCx84x系列控制器，这个系列在工业界享有盛誉，以其稳定性、可靠性和易用性而闻名。UC2843采用电流模式控制方案，这种控制方式相比传统的电压模式控制具有诸多优势，例如更快的瞬态响应、固有的过流保护、以及在某些拓扑中更简单的环路补偿。

UC2843内部集成了误差放大器、振荡器、PWM比较器、电流检测比较器、参考电压源、欠压锁定（UVLO）和图腾柱输出级等关键模块。这些模块协同工作，使得UC2843能够高效地控制开关管的导通时间，从而稳定输出电压或电流。

2. 电流模式控制原理

电流模式控制是UC2843的核心。在这种控制模式下，控制环路有两个反馈：一个外部电压反馈环路和一个内部电流反馈环路。

电压外环： 类似于传统的电压模式控制，输出电压通过分压电阻反馈给误差放大器的反相输入端。误差放大器将反馈电压与内部参考电压（通常是5V）进行比较，产生一个误差电压。这个误差电压作为内部电流环路的参考，决定了峰值电感电流的大小。

电流内环： 这是电流模式控制的关键所在。开关管导通时，流过电感（或主开关）的电流被一个检测电阻（通常是一个小阻值的采样电阻）转换为电压信号。这个电流信号被送入电流检测比较器。当电流检测信号达到由误差放大器设定的峰值时，PWM比较器将输出关闭信号，关断开关管。这意味着，每个开关周期中，开关管的导通时间由流过电感的峰值电流决定，而不是直接由输出电压决定。

电流模式控制的优势：

• 逐周期电流限制： 这是电流模式控制最显著的优势之一。每个开关周期，只要检测到的峰值电流超过设定的阈值，PWM输出就会立即关断。这提供了一种快速、有效的过流保护机制，防止开关管和磁性元件在过载或短路条件下损坏。

• 更快的瞬态响应： 当输入电压或负载发生变化时，输出电压会立即发生变化。在电压模式控制中，误差放大器需要时间来响应并调整PWM占空比。而在电流模式控制中，由于电感电流被直接控制，内部电流环路能够更快地响应这些变化，从而提供更快的输出电压瞬态响应。

• 消除输出电感ESR对系统稳定性的影响： 在电压模式控制中，输出电感的等效串联电阻（ESR）会在传输函数中引入一个零点，这可能会导致系统不稳定，尤其是在高频下。在电流模式控制中，由于内部电流环路的存在，系统对输出电感的ESR不敏感，从而简化了环路补偿。

• 更简单的环路补偿： 由于内部电流环路的作用，电源级的传输函数更接近一个一阶系统，这使得外部电压环路的补偿设计变得更加简单。通常只需要一个简单的RC补偿网络就能实现良好的稳定性。

• 固有的电流均流能力： 在多相电源中，如果采用电流模式控制，各个并联相的电流能够更容易地实现均流，因为每个相的电流都被独立控制。

电流模式控制的局限性：

• 次谐波振荡： 在占空比大于50%时，电流模式控制可能会出现次谐波振荡（subharmonic oscillation），导致系统不稳定。这是因为在下一个开关周期开始时，电感电流的斜率无法准确地从前一个周期的终点开始。为了解决这个问题，通常需要加入斜坡补偿（slope compensation），即在电流检测信号中叠加一个斜坡电压。UC2843内部不包含斜坡补偿电路，因此在需要高占空比的应用中，外部通常需要增加斜坡补偿。

• 对噪声敏感： 电流检测信号通常是小信号，容易受到噪声的干扰，这可能会导致PWM波形的抖动。因此，需要仔细布局PCB，并采取适当的滤波措施。

3. UC2843内部模块详解

UC2843的内部结构设计精巧，各个模块协同工作，确保其高性能运行。

3.1 欠压锁定（UVLO）

UC2843的供电电压（VCC）引脚有一个欠压锁定功能。当VCC电压低于UVLO阈值（通常在8.5V左右）时，控制器将处于关断状态，内部电路被禁用，输出驱动器处于低电平。这可以防止在VCC电压过低时，控制器工作异常或输出驱动不足，从而保护开关管。当VCC电压上升并超过UVLO阈值（通常在16V左右）时，控制器开始正常工作。UVLO通常具有迟滞，以防止VCC电压在阈值附近抖动时，控制器反复启停。

3.2 振荡器（Oscillator）

振荡器是UC2843的心脏，它产生固定频率的时钟信号，用于同步PWM开关。振荡器的频率由外部电阻（Rt）和电容（Ct）决定。

• Rt（电阻）： 连接在Rt引脚和地之间。

• Ct（电容）： 连接在Ct引脚和地之间。

振荡频率的计算公式通常为：fosc=RtCt1

请注意，这是一个近似公式，具体的系数可能因芯片型号和制造商而略有不同，需要查阅数据手册获取精确公式。振荡器内部包含一个电流源，用于对Ct充电，以及一个比较器用于检测Ct电压达到预设峰值时进行放电，从而产生周期性的锯齿波。这个锯齿波也是PWM比较器的时钟源，并与误差电压或电流检测信号进行比较。

3.3 参考电压（Reference Voltage）

UC2843内部集成了一个高精度的5V参考电压源（VREF引脚）。这个参考电压用于：

• 误差放大器： 作为电压反馈环路的基准。

• 提供内部偏置： 为芯片内部其他模块提供稳定的工作电压。

• 外部元件供电： 可以通过VREF引脚向外部的电位器或传感元件提供少量电流。

VREF引脚通常需要并联一个陶瓷电容到地，以提高其稳定性，滤除高频噪声。这个参考电压具有很低的温度漂移和良好的负载调整率。

3.4 误差放大器（Error Amplifier）

误差放大器是一个高增益跨导放大器，用于比较反馈电压与内部参考电压，并生成误差电压。

• 输入： 误差放大器有两个输入端：非反相输入端（通常连接到内部5V参考电压）和反相输入端（COMP引脚）。

• 输出： 误差放大器的输出是COMP引脚。

在电压模式控制中，输出电压通过分压电阻反馈到反相输入端。在电流模式控制中，误差放大器的输出COMP引脚连接到PWM比较器的非反相输入端，用于设定峰值电流参考。

误差放大器是控制环路的关键部分，其带宽和增益特性直接影响到电源的动态响应和稳定性。通过在COMP引脚和地之间连接外部补偿网络（通常是RC网络），可以对控制环路进行补偿，以确保系统的稳定性和优化瞬态响应。

3.5 电流检测比较器（Current Sense Comparator）

电流检测比较器是电流模式控制的核心。

• 输入： 比较器的一个输入是CS（Current Sense）引脚，连接到电流检测电阻（R_sense）的电压信号。另一个输入是来自误差放大器的COMP引脚输出。

• 输出： 当CS引脚的电压超过COMP引脚设定的电压时，电流检测比较器输出高电平，触发PWM锁存器复位，关断输出驱动器。

CS引脚的电压通常与主开关电流成正比。为了避免开关噪声的影响，通常需要在CS引脚和地之间并联一个小的RC滤波器。

3.6 PWM锁存器与PWM比较器（PWM Latch and PWM Comparator）

PWM锁存器是一个SR锁存器，其Set输入由振荡器的时钟信号驱动，Reset输入由电流检测比较器或PWM比较器（如果存在）的输出驱动。

• Set： 每个开关周期开始时，振荡器产生的时钟信号会Set锁存器，使PWM输出驱动器导通，从而开启开关管。

• Reset： 当CS引脚的电压（表示峰值电流）达到COMP引脚设定的阈值时，电流检测比较器Reset锁存器，使PWM输出驱动器关断，从而关闭开关管。

UC2843系列控制器通常还包含一个PWM比较器，用于在某些情况下提供额外的保护。例如，它可以将来自振荡器的斜坡波形与COMP引脚的电压进行比较，作为次谐波振荡的附加保护或实现更复杂的控制功能。

3.7 图腾柱输出级（Totem-Pole Output Stage）

UC2843的输出级是一个高电流图腾柱结构，用于驱动外部功率MOSFET或BJT。

• 驱动能力： 具有高灌电流和拉电流能力，能够快速地对功率管的栅极充电和放电，从而减小开关损耗。

• 欠压保护： 在UVLO期间，输出级被强制保持在低电平，以防止功率管误导通。

为了最大限度地发挥其驱动能力并减少开关损耗，输出引脚（OUT）到功率管栅极的走线应该尽量短，并且需要适当的栅极电阻来控制开关速度和抑制振荡。

4. UC2843应用电路及其工作原理

UC2843最典型的应用是反激式（Flyback）和正激式（Forward）开关电源。这里我们以反激式电源为例，介绍其工作原理。

4.1 反激式电源基本原理

反激式电源是一种储能式开关电源，其基本原理是：

• 导通阶段： 当主开关管（通常是MOSFET）导通时，原边绕组两端电压为输入电压，电流线性上升，磁芯被磁化，能量存储在变压器原边绕组的电感中。此时副边二极管反向偏置，输出端由输出电容供电。

• 关断阶段： 当主开关管关断时，原边绕组的电流被切断，磁芯中的能量通过副边绕组感应出的电压释放，副边二极管正向偏置，电流流向输出电容和负载。

4.2 UC2843在反激式电源中的应用

1. 启动： 当输入电压加电后，VCC电容通过一个启动电阻从输入电压充电。当VCC电压达到UVLO上限阈值时，UC2843开始工作。

2. 振荡器工作： 振荡器产生固定频率的锯齿波。

3. 开关管导通： 每个周期开始时，振荡器Set PWM锁存器，UC2843的OUT引脚输出高电平，驱动主开关管导通。

4. 电流检测： 流过主开关管的电流通过一个电流检测电阻（R_sense）转换为电压信号，送入CS引脚。

5. 误差放大器： 输出电压通过分压电阻反馈到误差放大器的反相输入端。误差放大器将反馈电压与内部5V参考电压进行比较，其输出（COMP引脚）电压根据输出电压的偏差进行调整。

6. PWM控制： CS引脚的电流检测电压与COMP引脚的误差电压进行比较。当CS电压达到COMP电压时，电流检测比较器Reset PWM锁存器，OUT引脚输出低电平，关断主开关管。

7. 能量释放： 开关管关断后，变压器中存储的能量传递到副边，为负载供电并对输出电容充电。

8. VCC供电： 当电源正常工作后，通常会有一个辅助绕组为UC2843的VCC引脚提供稳定的工作电压，以降低启动电阻上的功耗。

9. 保护功能：

• 过流保护： 逐周期电流限制功能确保每个周期内的峰值电流不会超过设定值，从而防止开关管和变压器损坏。

• 欠压锁定： 保护UC2843在供电电压不足时工作异常。

• 热关断： UC2843内部通常包含热关断保护，当芯片温度过高时，会关闭输出，以防止芯片损坏。

5. 外围元件的选择与设计

UC2843的性能和稳定性很大程度上取决于外部元件的正确选择和设计。

5.1 振荡器部分（Rt和Ct）

• Rt： 选择一个高质量的金属膜电阻，以确保频率稳定性。通常值在几千欧到几十千欧之间。

• Ct： 选择一个低ESR、低ESL的陶瓷电容，以确保振荡波形的平滑和准确。通常值在几百皮法到几纳法之间。

• 频率设定： 根据电源的拓扑、效率要求和磁性元件的设计来选择开关频率。较高的频率可以减小磁性元件的体积，但会增加开关损耗；较低的频率则相反。

5.2 VCC旁路电容

在VCC引脚和地之间放置一个0.1μF到1μF的陶瓷电容，以及一个10μF到47μF的电解电容。陶瓷电容用于滤除高频噪声，电解电容用于提供稳定的直流供电和在启动时提供足够的电荷。

5.3 VREF旁路电容

在VREF引脚和地之间放置一个0.1μF的陶瓷电容，以提高参考电压的稳定性。

5.4 电流检测电阻（R_sense）

• 阻值选择： 根据所需的最大峰值电流和CS引脚的内部阈值（通常为1V）来选择R_sense的阻值。Rsense=VCS(max)/Ipeak(max)。选择阻值时，还需要考虑在最大电流下R_sense的功耗和发热。

• 类型： 通常选择低电感、无感或四端子电流检测电阻，以减小寄生电感对电流检测信号的影响。

• 布局： R_sense应该尽可能靠近主开关管和UC2843的CS引脚，以减小噪声干扰。

5.5 CS引脚RC滤波器

在CS引脚和地之间放置一个RC滤波器，通常是几十到几百欧姆的电阻串联一个几百皮法到几纳法的电容。这个滤波器用于衰减主开关管开关瞬间产生的尖峰噪声，防止其误触发电流检测比较器。

5.6 误差放大器补偿网络

• 类型： 通常是Type II或Type III补偿网络。对于UC2843，由于其内部电流环路，Type II补偿（一个串联RC网络）通常就足够了，甚至一个简单的RC低通滤波器也可以。

• 目的： 补偿网络的目的是调整控制环路的开环增益和相位裕度，以确保系统的稳定性，并优化瞬态响应。

• 设计： 需要进行伯德图分析来设计补偿网络，确保在穿越频率处有足够的相位裕度（通常大于45度）。

5.7 栅极驱动电阻（Rg）

在UC2843的OUT引脚和功率MOSFET的栅极之间串联一个栅极电阻（Rg）。

• 作用： Rg的主要作用是限制MOSFET栅极的充放电电流，从而控制开关速度，减少开关噪声和振铃。同时，它也能衰减UC2843输出级和MOSFET栅极电容之间可能形成的谐振。

• 选择： Rg的选择需要权衡开关损耗和EMI。较大的Rg会减慢开关速度，增加开关损耗，但会降低EMI；较小的Rg则相反。

5.8 启动电阻

在启动阶段，通常通过一个高阻值的电阻从输入母线为VCC电容充电。一旦电源正常工作，辅助绕组会接管UC2843的供电。启动电阻的选择需要确保在最低输入电压下也能提供足够的启动电流，并在最高输入电压下限制功耗。

6. UC2843的保护功能

UC2843内置了多种保护功能，进一步提高了电源的可靠性。

6.1 逐周期电流限制

这是电流模式控制固有的特性。每个开关周期，一旦检测到的峰值电流超过由COMP引脚电压设定的阈值，PWM输出立即关断。这有效地防止了过载、短路或输入电压瞬变引起的过大电流损坏开关管和磁性元件。

6.2 欠压锁定（UVLO）

如前所述，UVLO功能确保UC2843只在供电电压VCC达到安全工作范围时才启动，并在VCC过低时强制关断，防止其工作不稳定。

6.3 最大占空比限制

UC2843内部振荡器通常会限制最大占空比，通常在95%左右，以确保在每个周期内有足够的死区时间来防止直通（在某些拓扑中）或允许磁性元件复位。这也有助于防止磁饱和。

6.4 热关断（Thermal Shutdown）

UC2843内部集成了热关断保护电路。当芯片内部温度超过预设阈值（通常在150°C左右）时，控制器会自动停止工作，关断PWM输出，以防止芯片因过热而损坏。当温度下降到安全范围后，控制器会自动恢复工作，通常会有一定的迟滞。

7. UC2843与其他UCx84x系列的区别

UC2843是UCx84x系列中的一员，这个系列还包括UCx842、UCx844和UCx845。它们之间的主要区别在于：

• UVLO阈值：

• UC2842和UC2844：具有较高的启动电压阈值（例如，启动电压16V，关断电压10V）。适用于宽输入电压范围，特别是离线AC-DC应用，因为它们可以更容易地从高压输入启动。

• UC2843和UC2845：具有较低的启动电压阈值（例如，启动电压8.5V，关断电压7.9V）。更适用于DC-DC转换器或那些VCC供电电压较低的应用。

• 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。这使得UC2844/45更适合需要严格限制占空比的应用，例如正激式转换器，因为它们通常需要更小的最大占空比来确保磁复位。

这些差异使得设计者可以根据具体的应用需求选择最合适的控制器。例如，对于需要高占空比的反激式电源，UC2843是一个常见的选择。对于要求最大占空比小于50%的正激式电源，UC2844/45可能是更好的选择。

8. UC2843设计考量与调试技巧

8.1 PCB布局

• 短电流环路： 尽量缩短大电流环路，例如输入电容、主开关管、变压器原边和电流检测电阻之间的走线。

• 信号地和功率地分离： 尽量将小信号地（例如VREF、COMP、CS引脚的接地）与大电流功率地分离，并在一点汇合，以避免大电流在信号地上产生压降，引入噪声。

• 敏感信号走线： CS引脚、COMP引脚和振荡器相关引脚的走线应尽量短，远离噪声源，并进行适当的屏蔽。

• VCC和VREF旁路电容： 旁路电容应尽可能靠近UC2843的引脚放置。

• 栅极驱动走线： OUT引脚到MOSFET栅极的走线应尽量短而粗，以减小寄生电感。

8.2 环路补偿调试

• 增益裕度与相位裕度： 目标是确保在开环增益为0dB（穿越频率）时，相位裕度至少为45度（最好60度或更多），增益裕度至少为10dB。

• 负载瞬态响应测试： 通过突然加载和卸载负载来测试输出电压的瞬态响应。观察输出电压的过冲和下冲，以及恢复时间。根据需要调整补偿网络。

• 仿真工具： 使用SPICE等仿真工具可以大大简化环路补偿的设计和调试过程。

8.3 噪声抑制

• RC滤波器： 在CS引脚添加RC滤波器。

• 磁珠和电容： 在关键的电源和信号线上添加磁珠和旁路电容来抑制高频噪声。

• 地线布局： 良好的地线布局是抑制噪声的关键。

8.4 热管理

UC2843在驱动大功率MOSFET时，其输出级会产生一定的功耗。虽然其功耗通常不高，但在高环境温度或高开关频率下，仍需考虑其散热问题。确保芯片在工作范围内，必要时可以增加散热铜箔。

9. 总结

UC2843电流型PWM控制器以其卓越的性能、强大的保护功能和易用性，在开关电源设计领域占据着重要的地位。理解其内部模块的工作原理、电流模式控制的优势与局限性、以及正确的外围元件选择和PCB布局是成功设计高性能开关电源的关键。尽管它是一款相对成熟的IC，但其经典的设计和可靠性使其至今仍被广泛应用于各种电源产品中。通过深入理解其工作机制，工程师可以充分发挥UC2843的潜力，设计出高效、稳定且可靠的电源解决方案。