輻射加固型電流模式PWM控制器UC1843B-SP的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

在電源設(shè)計(jì)的領(lǐng)域中，一款性能卓越且穩(wěn)定可靠的控制器至關(guān)重要。今天，我們就來(lái)深入探討一下UC1843B-SP這款輻射加固型電流模式PWM控制器，它在諸多方面展現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，為電源設(shè)計(jì)帶來(lái)了新的思路和解決方案。

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1. 產(chǎn)品概述

UC1843B-SP是一款QML Class V級(jí)別的輻射加固型電流模式PWM控制器，適用于離線和DC - DC轉(zhuǎn)換器。它具有低啟動(dòng)電流（<0.5 mA）、自動(dòng)前饋補(bǔ)償、逐脈沖電流限制、增強(qiáng)的負(fù)載響應(yīng)特性等一系列出色的特性。其輻射硬度保證（RHA）高達(dá)100 - krad(Si)總電離劑量（TID），能夠在惡劣的輻射環(huán)境下穩(wěn)定工作，這使得它在航空航天、通信等對(duì)可靠性要求極高的領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

2. 產(chǎn)品特性剖析

2.1 電氣特性

UC1843B-SP的電氣特性十分出色。其內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源輸出電壓在25°C時(shí)為4.85 - 5.1 V，具有良好的線性調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率，溫度穩(wěn)定性也控制在較低水平（0.2 - 0.4 mV/°C）。振蕩器的初始精度在25°C時(shí)為47 - 57 kHz，電壓穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性也能滿足大多數(shù)應(yīng)用的需求。誤差放大器具有高增益帶寬和良好的電源抑制比（PSRR），能夠有效提高系統(tǒng)的控制精度。

2.2 功能特性

• 電流模式控制：采用雙環(huán)電流模式控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)輸入電壓前饋特性，快速響應(yīng)輸入電壓變化，同時(shí)簡(jiǎn)化了電流限制的設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。對(duì)于電感電流連續(xù)的轉(zhuǎn)換器，還能將控制到輸出的頻率響應(yīng)從雙極點(diǎn)降低到單極點(diǎn)，簡(jiǎn)化誤差放大器的補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的小信號(hào)動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
• UVLO（欠壓鎖定）：UVLO電路確保在VCC達(dá)到足夠電壓（開(kāi)啟閾值為8.4 V，關(guān)閉閾值為7.6 V）時(shí)才使輸出級(jí)工作，具有0.6 V的滯回特性，防止電源排序期間VCC振蕩。啟動(dòng)電流小于1 mA，有利于從離線轉(zhuǎn)換器的整流輸入進(jìn)行高效自舉。
• 圖騰柱輸出：PWM具有單圖騰柱輸出，可提供±1 - A的峰值電流驅(qū)動(dòng)MOSFET柵極，平均電流為200 mA，適用于雙極型功率晶體管。通過(guò)在圖騰柱輸出和MOSFET柵極之間放置電阻可以限制峰值電流，同時(shí)使用肖特基二極管可以防止輸出電壓過(guò)低，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3. 應(yīng)用領(lǐng)域與典型設(shè)計(jì)

3.1 應(yīng)用領(lǐng)域

UC1843B-SP可用于設(shè)計(jì)各種拓?fù)涞腄C - DC轉(zhuǎn)換器，如降壓、升壓、反激和正激等。通過(guò)外部接口電路，還能支持推挽、半橋和全橋等拓?fù)洌瑥V泛應(yīng)用于通信有效載荷、光學(xué)成像有效載荷、雷達(dá)成像有效載荷等領(lǐng)域。

3.2 典型應(yīng)用設(shè)計(jì)步驟

3.2.1 開(kāi)關(guān)頻率選擇

開(kāi)關(guān)頻率的選擇需要在效率和帶寬之間進(jìn)行權(quán)衡。較高的開(kāi)關(guān)頻率可以獲得更大的帶寬，但效率會(huì)相對(duì)降低。在本次設(shè)計(jì)中，選擇了200 kHz的開(kāi)關(guān)頻率，通過(guò)公式(f{osc} approx frac{1.72}{R{osc} × C_{osc}})計(jì)算得出(R_T)和(C_T)分別為7.15 kΩ和1200 pF。

3.2.2 變壓器設(shè)計(jì)

變壓器的設(shè)計(jì)主要涉及匝數(shù)比和初級(jí)電感。匝數(shù)比的計(jì)算公式為(N{psMAX}=frac{V{inMIN} × D{lim}}{(V{out} + V{Diode}) × (1 - D{lim})})，在本次設(shè)計(jì)中，目標(biāo)占空比為50%，計(jì)算得出最大匝數(shù)比為3.5，實(shí)際使用匝數(shù)比為3.33。輔助繞組的匝數(shù)比通過(guò)(N{pa}=frac{N{ps} × (V{out} + V{Diode})}{V{aux}})計(jì)算得出為1.46，實(shí)際使用1.43。初級(jí)電感根據(jù)百分比紋波電流計(jì)算，公式為(L{PRI}=frac{V{inMAX}^2 × D{MIN}^2}{V{out} × I{out} × f{osc} × %{Ripple}})，計(jì)算得出為25 μH，實(shí)際使用21 μH。

3.2.3 RCD二極管鉗位設(shè)計(jì)

RCD二極管鉗位的設(shè)計(jì)需要先確定允許的節(jié)點(diǎn)過(guò)沖電壓(V{clamp}=K{clamp} × N{ps} × (V{out} + V{Diode}))，推薦(K{clamp})為1.5。然后根據(jù)變壓器的寄生電感和允許的鉗位電壓變化，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}})計(jì)算電阻和電容的初始值。

3.2.4 輸出二極管選擇

輸出二極管的電壓應(yīng)力通過(guò)(V{DiodeStress}=V{out}+frac{V{inMAX}}{N{ps}})計(jì)算得出為17 V，實(shí)際選擇電壓額定值為60 V的二極管，以確保能夠承受可能出現(xiàn)的寄生尖峰電壓。

3.2.5 輸出濾波器和電容設(shè)計(jì)

輸出電容的選擇需要滿足電壓紋波和輸出電流負(fù)載階躍的要求，通過(guò)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}})計(jì)算得出最小電容值。在本次設(shè)計(jì)中，選擇了約1145 pF的電容，并添加了輸出濾波器和電感來(lái)進(jìn)一步降低輸出電壓紋波。

3.2.6 補(bǔ)償設(shè)計(jì)

通過(guò)計(jì)算反激轉(zhuǎn)換器的極點(diǎn)和零點(diǎn)，選擇Type IIB補(bǔ)償來(lái)補(bǔ)償這些極點(diǎn)和零點(diǎn)。補(bǔ)償極點(diǎn)建議放置在轉(zhuǎn)換器的右半平面零點(diǎn)（RHPZ）附近，補(bǔ)償零點(diǎn)建議放置在預(yù)期交叉頻率的前一個(gè)十倍頻程。通過(guò)合理選擇補(bǔ)償電阻和電容的值，可以控制系統(tǒng)的增益，同時(shí)保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.2.7 感測(cè)電阻和斜率補(bǔ)償

感測(cè)電阻用于感測(cè)變壓器的紋波電流，并在轉(zhuǎn)換器的峰值電流過(guò)高時(shí)關(guān)閉開(kāi)關(guān)周期。感測(cè)電阻的計(jì)算公式為(R{cs}=frac{V{CS} Threshold - V{Slope Comp Offset}}{I{limit}})，在本次設(shè)計(jì)中，選擇了0.075 Ω的感測(cè)電阻。斜率補(bǔ)償通過(guò)BJT實(shí)現(xiàn)，其最佳值可以通過(guò)一系列公式計(jì)算得出。

4. 布局與電源建議

4.1 布局指南

• 電感選擇：優(yōu)先選擇低EMI的鐵氧體封閉磁芯電感，如環(huán)形和封裝E型磁芯電感。如果使用開(kāi)放磁芯電感，應(yīng)確保其具有低EMI特性，并遠(yuǎn)離低功率走線和組件。
• 反饋?zhàn)呔€：反饋?zhàn)呔€應(yīng)盡量遠(yuǎn)離電感和嘈雜的功率走線，保持走線直接且適當(dāng)加粗，必要時(shí)可將其布置在與電感相對(duì)的PCB一側(cè)，并使用接地平面進(jìn)行隔離。
• 輸入/輸出電容：低阻值陶瓷輸入濾波電容應(yīng)盡可能靠近IC的VIN引腳，以減少走線電感的影響。如果需要使用前饋電容，也應(yīng)將其靠近IC放置。
• 補(bǔ)償組件：外部補(bǔ)償組件應(yīng)靠近IC放置，建議使用表面貼裝組件，避免靠近電感。
• 走線和接地平面：所有功率（高電流）走線應(yīng)盡可能短、直且粗，標(biāo)準(zhǔn)PCB上的走線寬度應(yīng)至少為每安培15 mils（0.381 mm）。電感、輸出電容和輸出二極管應(yīng)盡量靠近，以減少EMI輻射和噪聲尖峰。IC、輸入電容、輸出電容和輸出二極管的接地應(yīng)直接連接到接地平面，建議在PCB的兩側(cè)都設(shè)置接地平面，以減少接地環(huán)路誤差和吸收電感輻射的EMI。對(duì)于多層板，可以使用接地平面分隔功率平面和信號(hào)平面，以提高性能。

4.2 電源建議

UC1843B-SP設(shè)計(jì)用于在8 - 32 V的輸入電壓范圍內(nèi)工作，輸入電源應(yīng)進(jìn)行良好的調(diào)節(jié)。如果輸入電源與轉(zhuǎn)換器之間的距離較遠(yuǎn)，除了陶瓷旁路電容外，還可能需要額外的大容量電容。通?？梢赃x擇100 μF的鉭電容，但具體值應(yīng)根據(jù)設(shè)備的啟動(dòng)電路進(jìn)行調(diào)整。

UC1843B-SP以其出色的特性和廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，為電子工程師在電源設(shè)計(jì)方面提供了一個(gè)可靠的選擇。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇參數(shù)和進(jìn)行布局設(shè)計(jì)，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)。大家在使用UC1843B-SP進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，有沒(méi)有遇到過(guò)一些獨(dú)特的問(wèn)題或者有什么獨(dú)特的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)?zāi)?？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。