UCC280x系列低功耗BiCMOS電流模式PWM控制器：設(shè)計(jì)指南與應(yīng)用解析

引言

在電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域，對(duì)于高性能、低功耗PWM控制器的需求日益增長(zhǎng)。UCC280x系列低功耗BiCMOS電流模式PWM控制器應(yīng)運(yùn)而生，為開關(guān)模式電源（SMPS）、DC - DC轉(zhuǎn)換器等應(yīng)用提供了強(qiáng)大而可靠的解決方案。本文將深入探討UCC280x系列的特性、應(yīng)用及設(shè)計(jì)要點(diǎn)，希望能為電子工程師們?cè)趯?shí)際設(shè)計(jì)中提供有價(jià)值的參考。

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UCC280x系列概述

UCC280x系列包含UCC2800、UCC2801、UCC2802、UCC2803、UCC2804和UCC2805等型號(hào)。這些高速、低功耗的集成電路集成了離線和DC - DC固定頻率電流模式開關(guān)模式電源所需的所有控制和驅(qū)動(dòng)組件，且所需外部組件數(shù)量極少。它們與UCx84x系列具有相同的引腳配置，同時(shí)還具備內(nèi)部全周期軟啟動(dòng)和電流感測(cè)輸入的內(nèi)部前沿消隱等額外特性。

關(guān)鍵特性

1. 低功耗：典型啟動(dòng)電源電流僅100μA，典型工作電源電流為500μA，有效降低了系統(tǒng)功耗。
2. 高頻工作：能夠運(yùn)行至1MHz的頻率，滿足高速開關(guān)的需求。
3. 軟啟動(dòng)功能：內(nèi)部軟啟動(dòng)和故障軟啟動(dòng)，減少啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊。
4. 前沿消隱：對(duì)電流感測(cè)信號(hào)進(jìn)行內(nèi)部前沿消隱，減少干擾。
5. 高驅(qū)動(dòng)能力：1A圖騰柱輸出，可有效驅(qū)動(dòng)功率MOSFET。
6. 快速響應(yīng)：從電流感測(cè)到柵極驅(qū)動(dòng)輸出的典型響應(yīng)時(shí)間為70ns。
7. 精確參考電壓：1.5%容差的電壓參考，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

應(yīng)用領(lǐng)域

UCC280x系列廣泛應(yīng)用于開關(guān)模式電源（SMPS）、DC - DC轉(zhuǎn)換器、電源模塊、汽車電源、電池供電電源等領(lǐng)域。不同型號(hào)根據(jù)其特性適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景，例如UCC2803和UCC2805適合電池供電系統(tǒng)，而UCC2802和UCC2804則更適用于離線電源。

詳細(xì)特性分析

引腳功能

1.COMP：誤差放大器的輸出和PWM比較器的輸入。UCC280x系列的誤差放大器是真正具有低輸出阻抗和2MHz帶寬的運(yùn)算放大器，可同時(shí)提供和吸收電流。通過(guò)外部將COMP拉至GND可實(shí)現(xiàn)零占空比。芯片內(nèi)置全周期軟啟動(dòng)功能，無(wú)需外部軟啟動(dòng)電路。

2. FB：誤差放大器反相輸入引腳。為保證穩(wěn)定性，應(yīng)盡量縮短FB引腳引線長(zhǎng)度并減小雜散電容。其帶寬達(dá)到2MHz，反饋技術(shù)與UC3842系列相同。
3. CS：電流感測(cè)比較器的輸入，包含PWM比較器和過(guò)流比較器。UCC280x系列采用數(shù)字電流感測(cè)濾波，在OUT引腳上升沿后的100ns內(nèi)斷開CS引腳與電流感測(cè)比較器的連接，即前沿消隱，減少了對(duì)外部RC濾波器的需求，降低了CS到OUT的傳播延遲。過(guò)流比較器用于故障檢測(cè)，超過(guò)過(guò)流閾值會(huì)觸發(fā)軟啟動(dòng)周期
4. RC：振蕩器定時(shí)引腳。通過(guò)連接電阻從REF到RC設(shè)置定時(shí)電容充電電流，連接定時(shí)電容從RC到GND設(shè)置頻率。建議使用獨(dú)立接地走線，并保持定時(shí)電容引線盡可能短而直接。不同型號(hào)的UCC28x使用不同的頻率計(jì)算公式：
   • UCC2802和UCC280x：(f=frac{1}{R times C})
   • UCC2803和UCC2805：(f=frac{1.0}{R times C}) 其中頻率f單位為Hz，電阻R單位為Ω，電容C單位為法拉。推薦的定時(shí)電阻范圍為10kΩ - 200kΩ，定時(shí)電容范圍為100pF - 1000pF。
5. GND：信號(hào)和電源返回地。建議將信號(hào)返回路徑和高電流柵極驅(qū)動(dòng)路徑分開，避免開關(guān)電流對(duì)信號(hào)的影響。
6. OUT：高電流功率驅(qū)動(dòng)器的輸出，可驅(qū)動(dòng)功率MOSFET的柵極，峰值電流超過(guò)±750mA。當(dāng)VCC低于欠壓鎖定（UVLO）閾值時(shí)，OUT被主動(dòng)拉低。輸出級(jí)采用FET輸出器件，可實(shí)現(xiàn)全范圍的開關(guān)，且對(duì)過(guò)沖和下沖具有低阻抗，減少了對(duì)外部肖特基鉗位二極管的需求。
7. VCC：電源輸入連接。正常工作時(shí)，VCC通過(guò)限流電阻供電。總電源電流是靜態(tài)VCC電流和平均OUT電流之和，可根據(jù)公式 (I{OUT }=Q{g} times f) 計(jì)算平均OUT電流，其中 (Q_{g}) 為MOSFET柵極電荷，f為開關(guān)頻率。UCC280x的VCC鉗位電壓典型值為13.5V，低于UC3842的30V。為防止噪聲問(wèn)題，需在VCC和GND之間連接陶瓷電容，并盡可能靠近VCC引腳。
8. REF：誤差放大器和其他功能的電壓參考，也是高速開關(guān)邏輯的邏輯電源。當(dāng)VCC大于1V且低于UVLO閾值時(shí)，REF通過(guò)5kΩ電阻拉至地，可作為邏輯輸出指示電源系統(tǒng)狀態(tài)。REF需通過(guò)陶瓷電容旁路到地，對(duì)于外部負(fù)載大于2.5mA的情況，還需額外的旁路措施。

欠壓鎖定（UVLO）

UCC280x系列具有欠壓鎖定保護(hù)電路，可在電源上電和下電過(guò)程中實(shí)現(xiàn)受控操作。UVLO電路會(huì)監(jiān)測(cè)電源電壓（VCC）和參考電壓（Vref）。不同型號(hào)的UVLO閾值不同，例如UCC2802和UCC2804的典型開啟閾值為12.5V，關(guān)閉閾值為8.3V，具有4.3V的滯后；UCC2803和UCC2805的開啟閾值為4.1V，關(guān)閉閾值為3.6V，滯后為0.5V。在UVLO期間，IC的電源電流約為100μA，一旦超過(guò)開啟閾值，電流通常會(huì)增加到約500μA。

自偏置、有源低輸出

UCC280x系列的自偏置、有源低鉗位電路可消除MOSFET誤開啟的潛在問(wèn)題。在UVLO期間，當(dāng)PWM輸出電壓上升時(shí)，P器件驅(qū)動(dòng)較大的N型開關(guān)導(dǎo)通，將輸出電壓鉗位為低電平。該電路的電源由外部上升的柵極電壓提供，確保在欠壓鎖定期間無(wú)論IC的電源電壓如何，都能提供全面保護(hù)。

參考電壓

UCC2800、UCC2801、UCC2802和UCC2804的參考電壓為5V，UCC2803和UCC2805的參考電壓為4V，精度均為±1.5%，優(yōu)于UC3842系列的±2%。輸出短路電流較低，為5mA。REF必須通過(guò)陶瓷電容旁路到地，以防止振蕩和噪聲問(wèn)題。當(dāng)VCC低于UVLO閾值時(shí)，REF被拉低，可作為UVLO狀態(tài)指示。

振蕩器

UCC280x系列的振蕩器在RC引腳產(chǎn)生鋸齒波。上升時(shí)間由 (R{T}) 和 (C{T}) 的時(shí)間常數(shù)決定，下降時(shí)間由 (C_{T}) 和內(nèi)部晶體管的導(dǎo)通電阻（約130Ω）決定。振蕩器的峰 - 峰幅度增加到典型的2.45V，下限閾值降至約0.2V，上限閾值約為2.65V。放電電流增加到近20mA峰值，有助于實(shí)現(xiàn)高頻操作下的短死區(qū)時(shí)間和高占空比。

同步

UCC280x系列的PWM控制器可通過(guò)通用技術(shù)實(shí)現(xiàn)同步。將IC的振蕩器編程為以比同步頻率低約20%的頻率自由運(yùn)行，通過(guò)在50Ω電阻上施加一個(gè)短暫的正脈沖來(lái)強(qiáng)制同步。通常，1V幅度、100ns寬度的脈沖適用于大多數(shù)應(yīng)用。IC也可直接同步到振蕩器RC引腳的脈沖序列輸入，但需注意IC內(nèi)部在超過(guò)振蕩器上限閾值時(shí)會(huì)將該節(jié)點(diǎn)拉低，直到引腳電壓降至約0.2V。

最小關(guān)斷時(shí)間設(shè)置（死區(qū)時(shí)間控制）

死區(qū)時(shí)間用于確保PWM輸出在每個(gè)振蕩器周期內(nèi)有足夠的關(guān)斷時(shí)間，以重置磁路元件并防止飽和。UCC280x系列的死區(qū)時(shí)間由內(nèi)部130Ω的放電阻抗和定時(shí)電容值決定。較大的電容值會(huì)延長(zhǎng)死區(qū)時(shí)間，較小的值會(huì)提高相同工作頻率下的最大占空比?？赏ㄟ^(guò)在IC的RC引腳和定時(shí)組件之間添加電阻來(lái)增加死區(qū)時(shí)間，但需注意避免使用過(guò)高的電阻，以免降低死區(qū)時(shí)間和振蕩器的峰 - 峰幅度。

前沿消隱

UCC280x系列對(duì)電流感測(cè)輸入電路應(yīng)用了100ns的前沿消隱間隔，可消除對(duì)外部電阻 - 電容濾波網(wǎng)絡(luò)的需求，抑制功率MOSFET開啟時(shí)的開關(guān)尖峰。該前沿消隱也應(yīng)用于逐周期電流限制功能和過(guò)流故障比較器。

電流限制

UCC280x系列內(nèi)置1V（典型）的逐周期電流限制閾值，100ns的前沿消隱脈沖可防止前沿開關(guān)噪聲觸發(fā)電流限制功能。從電流限制比較器到輸出的傳播延遲通常為70ns，可在過(guò)載時(shí)縮短導(dǎo)通時(shí)間，減少功率半導(dǎo)體的損耗。為提高電流感測(cè)電路的效率，可使用偏置電路，通過(guò)電阻 (R{A}) 和 (R{B}) 對(duì)實(shí)際電流感測(cè)電阻電壓進(jìn)行偏置，實(shí)現(xiàn)低功耗的電流感測(cè)和電流限制保護(hù)。

過(guò)流保護(hù)和全周期重啟

UCC280x系列內(nèi)部的過(guò)流比較器用于處理電源輸出短路或嚴(yán)重過(guò)載的情況。過(guò)流比較器的閾值為1.5V，受前沿消隱信號(hào)控制，防止誤觸發(fā)。一旦觸發(fā)，過(guò)流比較器會(huì)利用內(nèi)部軟啟動(dòng)電容產(chǎn)生延遲后再嘗試重試，即“打嗝”模式。全周期軟啟動(dòng)確保在故障期間連續(xù)嘗試操作之間有大于3ms的可預(yù)測(cè)延遲，可顯著降低主轉(zhuǎn)換器和開關(guān)組件的輸入和耗散功率。

軟啟動(dòng)

UCC280x系列通過(guò)逐漸增加誤差放大器（E/A）輸出電壓實(shí)現(xiàn)PWM輸出的內(nèi)部軟啟動(dòng)。在電流模式控制中，可緩慢提高每個(gè)PWM周期的峰值開關(guān)電流；在電壓模式（占空比）控制中，可逐漸加寬脈沖寬度。內(nèi)部軟啟動(dòng)電容（Css）在欠壓鎖定轉(zhuǎn)換或參考電壓低于正常工作最小值時(shí)放電，過(guò)流保護(hù)比較器觸發(fā)故障時(shí)也會(huì)放電。軟啟動(dòng)通過(guò)將E/A放大器輸出鉗位到內(nèi)部軟啟動(dòng)電容（Css）來(lái)實(shí)現(xiàn)，Css由電流源充電，當(dāng)Css充電超過(guò)誤差放大器為正常PWM操作所命令的電壓時(shí)，軟啟動(dòng)鉗位電路被覆蓋。

斜率補(bǔ)償

在所有電流模式控制應(yīng)用中，可添加斜率補(bǔ)償以消除峰值到平均電流誤差。對(duì)于占空比超過(guò)50%的應(yīng)用，斜率補(bǔ)償是必要的，同時(shí)也可提高占空比低于50%的應(yīng)用的性能。通過(guò)將定時(shí)電阻分為兩個(gè)串聯(lián)電阻來(lái)偏置NPN跟隨器，NPN電壓跟隨器驅(qū)動(dòng)斜率補(bǔ)償編程電阻（Rsc），為 (C_{F}) 提供斜率補(bǔ)償電流。

應(yīng)用與設(shè)計(jì)實(shí)例

典型應(yīng)用電路

以UCC2800在峰值電流模式控制的反激式AC - DC轉(zhuǎn)換器中的應(yīng)用為例，展示了其在實(shí)際設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)一個(gè)12V、48W的離線反激式轉(zhuǎn)換器，輸入電壓范圍為85 - 265V RMS，輸出電壓為12V，輸出電流為4A，輸出紋波電壓不超過(guò)120mV PP，最大負(fù)載效率為85%。

詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

1. 選擇合適的大容量電容：根據(jù)功率水平和所需的最小大容量電壓，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}}) 計(jì)算大容量電容值。為實(shí)現(xiàn)75V的最小大容量電壓，考慮電容容差，選擇180μF的電容。
2. 變壓器設(shè)計(jì)：
   • 選擇開關(guān)頻率：綜合考慮轉(zhuǎn)換器尺寸和效率，選擇110kHz的開關(guān)頻率，可減小變壓器尺寸并降低EMI濾波器的尺寸。
   • 確定變壓器匝數(shù)比：根據(jù)所需的MOSFET電壓額定值和二極管電壓額定值，計(jì)算變壓器匝數(shù)比。為使MOSFET電壓不超過(guò)650V，選擇匝數(shù)比為10。
   • 選擇變壓器電感：根據(jù)CCM條件，選擇合適的變壓器電感，使轉(zhuǎn)換器在最小線電壓下約10%負(fù)載時(shí)進(jìn)入CCM操作，以減少傳導(dǎo)損耗和輸出紋波。計(jì)算得到變壓器電感約為1.7mH，選擇1.5mH的電感。
   • 確定輔助繞組電壓：輔助繞組為UCC2800提供正常工作電源，選擇輔助繞組電壓與輸出電壓相同，以保持IC和驅(qū)動(dòng)損耗較低，輔助繞組與輸出繞組匝數(shù)比為1。
3. 計(jì)算MOSFET和二極管的電流應(yīng)力：根據(jù)計(jì)算得到的電感值和開關(guān)頻率，計(jì)算MOSFET和二極管的峰值電流和RMS電流。選擇IRFB9N65A作為初級(jí)側(cè)MOSFET，48CTQ060 - 1作為二極管。
4. 選擇輸出電容：根據(jù)輸出電壓紋波要求，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 }}) 計(jì)算輸出電容值?？紤]電容容差和溫度效應(yīng)，選擇3個(gè)680μF的電容并聯(lián)。
5. 選擇周邊組件：
   • 電流感測(cè)網(wǎng)絡(luò)：由 (R{CS})、(R{CSF})、(C{CSF}) 和可選的 (R{P}) 組成。選擇 (C{CSF}) 為270pF以提供足夠的濾波，選擇 (R{CS}) 為0.75Ω以實(shí)現(xiàn)1.425A的初級(jí)側(cè)峰值電流?？赏ㄟ^(guò) (R{P}) 和 (R{CS}) 組成的電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)注入偏移電壓，減少電流感測(cè)損耗。
   • 柵極驅(qū)動(dòng)電阻：選擇 (R_{G}) 為10Ω，在EMI性能和開關(guān)損耗之間進(jìn)行權(quán)衡。
   • Vref電容：選擇1μF、16V的陶瓷電容作為Vref電容，并盡可能靠近REF和GND引腳放置。
   • (R{T}C{T})：選擇 (R{T}) 為13.6kΩ，(C{T}) 為1000pF，以實(shí)現(xiàn)110kHz的開關(guān)頻率。
   • 啟動(dòng)電路：選擇150kΩ的啟動(dòng)電阻，在功率損耗和啟動(dòng)時(shí)間之間進(jìn)行權(quán)衡。選擇120μF的VCC電容，以在啟動(dòng)期間保持VCC電壓高于UVLO閾值。
   • 電壓反饋補(bǔ)償：
     • 功率級(jí)增益、零點(diǎn)和極點(diǎn)：首先確定轉(zhuǎn)換器是否工作在CCM模式，根據(jù)公式計(jì)算CCM模式下的DC開環(huán)增益、零點(diǎn)和極點(diǎn)。
     • 補(bǔ)償環(huán)路：為實(shí)現(xiàn)良好的瞬態(tài)響應(yīng)，將帶寬限制在RHP零點(diǎn)頻率的1/4，即約1.9kHz。選擇輸出電壓感測(cè)電阻值，將補(bǔ)償器零點(diǎn) (f{C Z}) 放置在190Hz，極點(diǎn)放置在6kHz。根據(jù)補(bǔ)償環(huán)路結(jié)構(gòu)，計(jì)算 (R{LED}) 的值，使整個(gè)環(huán)路增益在交叉頻率處等于1。

電源供應(yīng)建議

UCC280x系列內(nèi)部集成了VCC并聯(lián)穩(wěn)壓器，可將電源電壓調(diào)節(jié)在約13.5V。對(duì)于輸入電壓高于12V的情況，需要在VCC和輸入電源之間串聯(lián)一個(gè)電阻，以限制并聯(lián)穩(wěn)壓器的電流。內(nèi)部穩(wěn)壓器與器件的低啟動(dòng)和工作電流相結(jié)合，可大大簡(jiǎn)化器件的供電，在許多應(yīng)用中可消除對(duì)穩(wěn)壓自舉輔助電源和繞組的需求。為確保啟動(dòng)，UCC2802和UCC2804的UVLO啟動(dòng)閾值比并聯(lián)穩(wěn)壓器電平低1V。在VCC和REF引腳與地之間連接0.1μF - 1μF的陶瓷電容，以進(jìn)行噪聲濾波，并盡可能靠近引腳放置。在離線應(yīng)用中，可能需要一個(gè)更大的濾波電容，以在啟動(dòng)期間保持電源電壓（VCC）高于UVLO關(guān)閉閾值。

布局指南

在進(jìn)行UCC280x系列的布局時(shí)，除了遵循一般的電源管理IC布局指南（如星形接地、最小化電流環(huán)路、合理的阻抗水平等）外，還需考慮以下幾點(diǎn)：

1. 使用接地平面：盡可能使用接地平面，以最小化接地電路上的電壓降和寄生電感引入的噪聲。
2. 去耦電容：在VCC和REF引腳與地之間連接去耦電容，并盡可能靠近IC。
3. **定時(shí)電容