UC2843 中文资料详解

UC2843 是一款业界广泛应用的电流模式 PWM 控制器，其设计旨在为离线式和 DC-DC 开关电源应用提供一个高性价比、高性能的解决方案。它集成了启动电路、振荡器、误差放大器、电流检测比较器、PWM 锁存器和驱动器等核心功能模块，使得电源设计变得更为简洁高效。其独特的电流模式控制方式，不仅简化了环路补偿，还提供了逐周期的限流保护，确保了电源系统的稳定性和可靠性。本文将对 UC2843 的内部结构、引脚功能、工作原理、典型应用以及设计注意事项进行深入而全面的探讨。

一、 UC2843 内部结构与功能模块解析

UC2843 的内部结构精密而紧凑，各功能模块协同工作，共同实现了其强大的控制能力。深入了解这些模块的工作原理，是正确使用和设计基于 UC2843 电源的关键。

1. 启动电路与欠压锁定 (UVLO)

启动电路负责在电源上电时为 UC2843 提供初始工作电压。当电源电压（VCC）从零逐渐上升时，启动电阻会为 UC2843 内部的电容充电。当 VCC 达到启动阈值电压（约 8.4V）时，欠压锁定（UVLO）电路被解除，UC2843 开始工作，振荡器启动，输出驱动器开始产生 PWM 脉冲。当 VCC 降至关断阈值电压（约 7.6V）时，UVLO 再次被激活，UC2843 停止工作，输出驱动器被锁定为低电平。这种迟滞效应（hysteresis）有效地防止了 VCC 在启动阈值附近来回振荡，确保了电源启动和关断过程的稳定可靠。

2. 振荡器

振荡器是 UC2843 的“心脏”，它产生了一个周期性的锯齿波电压，作为 PWM 调制的基础。振荡器的频率由外部的一个电阻（RT）和一个电容（CT）来决定。RT-CT 组成的 RC 充放电回路，其充电电流为恒定值，因此振荡器产生的锯齿波具有良好的线性度。振荡器的输出锯齿波与电流检测比较器的输出信号共同作用，决定了 PWM 脉冲的宽度。其振荡频率 fOSC 可由以下公式近似计算：

fOSC=RT⋅CT1.72

其中，RT 的单位为 kΩ，CT 的单位为 nF，fOSC 的单位为 kHz。

3. 误差放大器

误差放大器是一个高增益跨导放大器，其作用是将输出电压的反馈信号与内部的基准电压进行比较，产生一个误差信号。UC2843 内部有一个精确的 2.5V 基准电压源。误差放大器的同相输入端（EA+）与内部基准电压相连，反相输入端（EA-）则通过外部电阻分压网络与电源的输出端相连。当电源的输出电压偏离设定值时，误差放大器会产生一个相应的误差电压。这个误差电压随后被送入 PWM 锁存器，用于调节 PWM 占空比，从而稳定输出电压。

4. 电流检测比较器与 PWM 锁存器

电流检测比较器是 UC2843 实现电流模式控制的核心。它将外部的电流检测信号（通常来自于主开关管源极串联的一个小电阻）与误差放大器的输出信号进行比较。当主开关管导通时，流过电感的电流逐渐增大，在电流检测电阻上产生的电压也随之升高。当这个电压达到误差放大器输出电压的设定值时，电流检测比较器翻转，复位 PWM 锁存器，从而关断主开关管。这种逐周期的电流限制功能，有效地防止了开关管在过流情况下损坏，极大地提高了电源的可靠性。PWM 锁存器则确保了在一个开关周期内，一旦 PWM 脉冲被关断，就不会在同一个周期内再次被开启，直至下一个振荡周期开始。

5. 输出驱动器

输出驱动器负责产生高电平的 PWM 脉冲，直接驱动外部的功率 MOSFET 或 IGBT。UC2843 的输出驱动器具有高达 1A 的峰值电流驱动能力，能够快速地开启和关断功率开关管，从而降低开关损耗。其低电平输出电压接近 0V，高电平输出电压接近 VCC，具有良好的驱动能力。

二、 UC2843 引脚功能与典型应用

UC2843 采用 8 引脚 SOIC-8 或 DIP-8 封装，每个引脚都有其特定的功能。以下是对其主要引脚的详细说明：

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1. 典型应用电路：反激式开关电源

反激式开关电源是一种广泛应用的隔离式开关电源拓扑，其结构简单、成本低廉，非常适合中低功率的应用。UC2843 是反激式电源控制器的经典选择。在一个典型的反激式电源电路中，UC2843 的各个引脚连接如下：

• VCC: 通常通过一个启动电阻连接到输入整流高压，为 UC2843 提供启动电源。在启动后，VCC 绕组的整流电压会为 UC2843 供电，以维持其正常工作。

• VFB: 通过一个电阻分压器，将隔离光耦的输出信号反馈到 VFB 引脚，实现对输出电压的闭环控制。

• SENSE: 通过一个串联在主开关管源极的电阻，将电流检测信号反馈到 SENSE 引脚，实现逐周期电流限制。

• RT/CT: 连接一个电阻 RT 和一个电容 CT，设定开关频率。

• OUT: 直接连接到功率 MOSFET 的栅极，驱动其导通和关断。

• COMP: 连接 RC 网络，进行环路补偿，以保证系统的稳定性和动态响应。

• VREF: 可用于为反馈电路中的光耦供电。

这种反激式拓扑的工作原理是：当开关管导通时，能量储存在变压器中，输出二极管处于反偏状态，不向负载供电。当开关管关断时，变压器绕组电压反向，存储的能量通过输出二极管传输到输出端，为负载供电。UC2843 通过调节开关管的导通时间，来控制输出电压的稳定。

2. 典型应用电路：升压型（Boost）开关电源

升压型开关电源用于将较低的输入直流电压提升到较高的输出直流电压。UC2843 同样可以很好地应用于这种拓扑结构。在这种电路中：

• SENSE 引脚连接到电感电流的检测电阻，实现电流模式控制。

• VFB 引脚连接到输出电压的分压网络，实现电压反馈。

• OUT 引脚驱动主开关管。

其工作原理是：当开关管导通时，电感电流线性增加，能量储存在电感中。当开关管关断时，电感两端电压反向，电感存储的能量与输入电压叠加，通过二极管为输出电容充电，从而实现电压的提升。UC2843 通过控制开关管的导通时间，来调节升压比，维持输出电压的恒定。

三、 UC2843 工作原理与控制模式详解

UC2843 采用的是电流模式 PWM 控制，这种控制方式与传统的电压模式 PWM 控制相比，具有显著的优势。

1. 电压模式 vs. 电流模式

在传统的电压模式控制中，误差放大器输出的电压直接与振荡器产生的锯齿波进行比较，从而产生 PWM 脉冲。这种控制方式的缺点是：

• 环路补偿复杂： 由于电源的动态响应与电感、电容等储能元件有关，使得环路补偿网络设计复杂，需要进行双重极点补偿以确保稳定性。

• 动态响应慢： 当输入电压或负载发生突变时，输出电压的变化需要经过误差放大器和振荡器的处理，才能调节 PWM 脉冲宽度，响应时间较长。

• 易产生次谐波振荡： 当占空比大于 50% 时，如果没有斜坡补偿，容易产生次谐波振荡，导致系统不稳定。

而电流模式控制则有效地解决了这些问题。在电流模式下，误差放大器的输出电压不再直接与锯齿波比较，而是与电感电流的峰值信号进行比较。

2. 电流模式控制工作原理

电流模式控制的核心思想是：用电感电流的峰值作为内环反馈，而输出电压作为外环反馈。

1. 内环（电流环）控制：

• 振荡器产生一个同步时钟信号，启动 PWM 锁存器，驱动输出引脚为高电平，开启功率开关管。

• 电感电流开始上升，其在电流检测电阻上产生的电压也随之上升。

• 当这个电流检测电压达到误差放大器输出的控制电压时，电流检测比较器翻转，复位 PWM 锁存器，关断功率开关管。

• 因此，在一个开关周期内，电感电流的峰值被限制在一个由误差放大器输出电压设定的值。

2. 外环（电压环）控制：

• 输出电压通过反馈网络被送回到误差放大器的反相输入端。

• 当输出电压下降时，误差放大器的输出电压上升。

• 这使得电流检测比较器的阈值升高，从而允许电感电流峰值在下一个周期达到更高的值，进而向负载传输更多的能量，使得输出电压回升。

• 反之，当输出电压上升时，误差放大器的输出电压下降，使得电感电流峰值在下一个周期被限制在较低的值，从而降低能量传输，使得输出电压回落。

通过这种内环电流控制和外环电压控制相结合的方式，UC2843 实现了以下优点：

• 环路补偿简单： 电流环路的带宽通常比电压环路高得多，使得电流环路可以看作一个简单的增益级。电压环路只需要对电压反馈网络进行补偿，通常只需要一个简单的 RC 网络即可，大大简化了设计。

• 快速的动态响应： 当输入电压发生变化时，电感电流的斜率会随之改变。电流模式控制能够立即感知到这种变化，并立即调整占空比，从而快速稳定输出电压，无需等待电压反馈环路做出响应。

• 逐周期的电流限制： 这是电流模式控制的固有特性。一旦电感电流超过设定的阈值，开关管就会立即被关断，有效地防止了过流损坏。

• 易于并联： 由于每个控制器的电流都是被限制的，多个基于 UC2843 的电源可以很容易地并联，实现功率的扩展。

3. 斜坡补偿

在电流模式控制中，当占空比大于 50% 时，如果没有外部的斜坡补偿，系统会变得不稳定，产生次谐波振荡。这是因为在占空比大于 50% 时，一个微小的扰动会导致电流在下一个周期被放大，从而引起振荡。

斜坡补偿的原理是在电流检测信号中叠加一个与振荡器锯齿波同步的斜坡电压。这个斜坡补偿电压可以有效地抑制次谐波振荡。UC2843 的 COMP 引脚可以通过一个外部电阻从振荡器输出端引入一个斜坡补偿信号，从而实现稳定的工作。

四、 UC2843 设计应用与注意事项

在实际应用中，设计基于 UC2843 的电源需要综合考虑多个因素，以确保系统的性能和可靠性。

1. 功率器件选择

功率开关管（MOSFET 或 IGBT）的选择至关重要。需要考虑以下几个参数：

• 耐压（Vds）： 必须大于输入电压的最大值，并留有足够的裕量。

• 电流能力（Id）： 必须大于峰值开关电流，并留有裕量。

• 栅极电荷（Qg）： 栅极电荷越小，UC2843 驱动起来就越容易，开关损耗也越低。

2. 变压器设计

变压器是反激式电源的核心，其设计需要考虑：

• 匝数比： 决定了输出电压。

• 电感量： 决定了存储的能量。

• 磁芯材料： 决定了饱和电流和损耗。

• 漏感： 漏感会产生尖峰电压，需要设计 RCD 吸收电路来保护开关管。

3. 反馈与补偿网络

反馈网络（通常是光耦和 TL431）用于隔离和稳定输出电压。补偿网络（COMP 引脚上的 RC 网络）用于调节系统的稳定性和动态响应。设计时需要进行环路分析，确保系统的相位裕度和增益裕度足够，以避免振荡。

4. PCB 布局

良好的 PCB 布局是电源稳定工作的关键。需要注意：

• 地线布局： 将 UC2843 的 GND 引脚、电流检测电阻、输入电容地和输出电容地连接到同一个星形接地点，以减少地线噪声干扰。

• 大电流回路： 大电流回路（如输入电容、开关管、变压器初级绕组、电流检测电阻）的布线要短而宽，以减少寄生电感和电阻。

• 小信号回路： UC2843 周围的小信号回路（如反馈网络、振荡器网络）要远离大电流回路，并用大面积地平面进行屏蔽。

5. 过压保护 (OVP) 与过流保护 (OCP)

UC2843 提供了逐周期的过流保护。但过压保护则需要外部电路来实现。通常可以使用一个齐纳二极管或更复杂的电路，当输出电压超过设定值时，触发一个保护机制，关断 UC2843 的供电或使其停止工作。

6. 软启动

UC2843 本身没有内置软启动功能，这在启动时可能会导致大的浪涌电流。可以通过在 VFB 或 COMP 引脚上添加一个外部电容，或者通过一个外部软启动电路，来缓慢地增加占空比，从而实现软启动。

五、 UC2843 系列芯片比较与发展

UC2843 属于一个系列，包括 UC1842/3/4/5、UC2842/3/4/5、UC3842/3/4/5 等。它们之间的主要区别在于 UVLO 启动/关断电压和最大占空比。

• UC2842/UC3842： UVLO 启动电压为 16V，关断电压为 10V。最大占空比为 100%。适用于大多数离线式应用。

• UC2843/UC3843： UVLO 启动电压为 8.4V，关断电压为 7.6V。最大占空比为 100%。适用于电池供电等低压应用。

• UC2844/UC3844： UVLO 启动电压为 16V，关断电压为 10V。最大占空比为 50%。

• UC2845/UC3845： UVLO 启动电压为 8.4V，关断电压为 7.6V。最大占空比为 50%。

UC2843 因其低启动电压和 100% 占空比能力，在一些特殊的低压输入应用中具有独特的优势。在现代电源设计中，虽然涌现出了更多功能更强大的 PWM 控制器，但 UC2843 仍然因其经典的控制方式和极高的可靠性，在许多领域中保持着旺盛的生命力。

六、 UC2843 的扩展应用与设计实例

UC2843 不仅仅局限于反激和升压拓扑，其灵活的电流模式控制特性使其可以应用于多种开关电源拓扑，例如：

1. 正激式转换器

正激式转换器是一种能量在开关管导通时直接从输入端传输到输出端的隔离型拓扑。当开关管关断时，变压器需要一个复位绕组或复位电路来释放存储的能量。UC2843 同样可以作为正激式转换器的控制器，其电流模式控制可以有效地防止变压器饱和。在正激应用中，由于变压器存在复位过程，通常需要选择最大占空比为 50% 的控制器（如 UC2844/UC2845），以确保变压器能够完全复位。但通过巧妙的设计，UC2843 也可以应用于正激拓扑。

2. 降压式转换器

降压式转换器用于将高压直流降为低压直流。UC2843 的电流模式控制可以有效地应用于降压拓扑中，实现高效率和快速响应。在降压应用中，电流检测电阻通常串联在主开关管的源极，通过检测流过电感的电流峰值来控制占空比。

3. 典型应用设计实例

以一个 12V 输入、5V/2A 输出的反激式电源设计为例，我们可以详细阐述设计步骤：

1. 确定设计参数:

• 输入电压：Vin=12V

• 输出电压：Vout=5V

• 输出电流：Iout=2A

• 开关频率：fsw=100kHz

• 效率：η≈85%

• 变压器匝数比：n=NsNp

2. UC2843 外围器件设计:

• 振荡器: 选择 RT,CT 来设定 fsw=100kHz。

• 根据 fOSC=RT⋅CT1.72，可选择 CT=1nF，则 RT=100⋅11.72=17.2kΩ。可选择一个标准电阻 18kΩ。

• VCC 供电: 启动电阻可以连接到 12V 输入。

• 电流检测: 设定电流峰值 Ipk。

• 根据能量守恒，Vin⋅Iavg_in⋅D⋅η=Vout⋅Iout，其中 D 为占空比。

• Iavg_in=2Ipk。

• 通过计算可得 Ipk，再根据 Vsense=1V（UC2843 内部电流检测比较器的阈值），可以计算出电流检测电阻 Rsense=Ipk1V。

• 反馈与补偿:

• TL431 的参考电压为 2.5V。通过电阻分压网络将 5V 输出分压到 2.5V。例如，选择两个电阻 Ra 和 Rb，使得 Ra+RbRb⋅5V=2.5V，则 Ra=Rb。可选择 10kΩ 的电阻。

• 在 UC2843 的 COMP 引脚上添加 RC 网络，进行环路补偿。

3. 变压器设计:

• 根据输入电压、输出电压、开关频率和峰值电流等参数，选择合适的磁芯，并计算变压器的匝数和电感量。

• 需要考虑变压器初级绕组的电感量，以确保在导通时间内，电感电流能达到设定的峰值。

• 计算出次级绕组的匝数，以得到所需的输出电压。

• 计算出 VCC 绕组的匝数，以在正常工作时为 UC2843 提供稳定的电源。

4. 布局和调试:

• 按照前面所述的 PCB 布局原则进行设计。

• 焊接完成后，上电调试，检查各点波形，如 VCC、SENSE、OUT 等引脚的电压和电流波形。

• 使用示波器检查输出电压的纹波和动态响应，并根据需要调整补偿网络。

七、 UC2843 常见故障与排除

在使用 UC2843 设计电源时，可能会遇到一些常见问题，以下是一些典型的故障现象及其排查思路：

1. 无输出或输出电压不稳定

• 检查 VCC 电压: 确保 UC2843 的 VCC 电压在正常工作范围内（8.4V-25V）。如果 VCC 电压过低，可能是启动电阻阻值过大、启动电容短路，或者 VCC 绕组没有正常工作。

• 检查振荡器: 使用示波器测量 RT/CT 引脚的波形，看是否有正常的锯齿波。如果没有，可能是 RT 或 CT 损坏，或者连接错误。

• 检查反馈环路: 断开反馈环路，将 VFB 引脚接地或连接到 VREF，看输出电压是否发生变化。如果 UC2843 输出 PWM 脉冲，说明控制器本身可能正常，问题可能出在反馈网络、光耦或 TL431 上。

• 检查功率开关管和变压器: 检查功率开关管是否损坏，变压器绕组是否开路或短路。

2. 尖峰电压过大

• 检查漏感吸收电路: 反激式电源中，变压器的漏感会在开关管关断时产生尖峰电压。如果尖峰电压过大，可能是 RCD 吸收电路参数不合适或失效。

• 检查布局: 检查 PCB 布局，确保大电流回路的布线尽量短，以减少寄生电感。

3. 输出纹波过大

• 检查输出电容: 检查输出电容是否容量不足、ESR 过高或损坏。

• 检查反馈补偿网络: 补偿网络设计不当也可能导致输出电压纹波。

4. 过流保护不工作

• 检查电流检测电阻: 检查电流检测电阻是否开路或阻值过大。

• 检查 SENSE 引脚: 检查 SENSE 引脚的连接是否正确。

5. 启动时 VCC 电压来回振荡

• 这通常是由于启动电阻和 VCC 绕组供电之间的切换不平滑所致。当 UC2843 启动后，VCC 绕组开始供电，但如果 VCC 绕组的电压不足以维持 UC2843 工作，UC2843 会再次关断，VCC 电压又从启动电阻开始上升，如此循环。解决方法是确保 VCC 绕组在轻载或空载时也能提供足够的电压。

通过以上对 UC2843 的深入剖析，我们可以看到，它是一款功能强大、应用灵活且可靠性高的 PWM 控制器。理解其内部工作原理和外部应用细节，是成功设计高效稳定开关电源的关键。尽管技术不断发展，但 UC2843 作为一个经典的电源控制芯片，其设计思想和应用方法仍然是每一位电源工程师宝贵的知识财富。