輻射加固型電流模式PWM控制器UC1843B-SP的設計與應用

在電源設計的領域中，一款性能卓越且穩定可靠的控制器至關重要。今天，我們就來深入探討一下UC1843B-SP這款輻射加固型電流模式PWM控制器，它在諸多方面展現出了獨特的優勢，為電源設計帶來了新的思路和解決方案。

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1. 產品概述

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

2. 產品特性剖析

2.1 電氣特性

UC1843B-SP的電氣特性十分出色。其內部基準電壓源輸出電壓在25°C時為4.85 - 5.1 V，具有良好的線性調整率和負載調整率，溫度穩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時為47 - 57 kHz，電壓穩定性和溫度穩定性也能滿足大多數應用的需求。誤差放大器具有高增益帶寬和良好的電源抑制比（PSRR），能夠有效提高系統的控制精度。

2.2 功能特性

• 電流模式控制：采用雙環電流模式控制系統，能夠實現輸入電壓前饋特性，快速響應輸入電壓變化，同時簡化了電流限制的設計，提高了系統的可靠性和穩定性。對于電感電流連續的轉換器，還能將控制到輸出的頻率響應從雙極點降低到單極點，簡化誤差放大器的補償電路設計，提高系統的小信號動態響應。
• UVLO（欠壓鎖定）：UVLO電路確保在VCC達到足夠電壓（開啟閾值為8.4 V，關閉閾值為7.6 V）時才使輸出級工作，具有0.6 V的滯回特性，防止電源排序期間VCC振蕩。啟動電流小于1 mA，有利于從離線轉換器的整流輸入進行高效自舉。
• 圖騰柱輸出：PWM具有單圖騰柱輸出，可提供±1 - A的峰值電流驅動MOSFET柵極，平均電流為200 mA，適用于雙極型功率晶體管。通過在圖騰柱輸出和MOSFET柵極之間放置電阻可以限制峰值電流，同時使用肖特基二極管可以防止輸出電壓過低，提高系統的穩定性。

3. 應用領域與典型設計

3.1 應用領域

UC1843B-SP可用于設計各種拓撲的DC - DC轉換器，如降壓、升壓、反激和正激等。通過外部接口電路，還能支持推挽、半橋和全橋等拓撲，廣泛應用于通信有效載荷、光學成像有效載荷、雷達成像有效載荷等領域。

3.2 典型應用設計步驟

3.2.1 開關頻率選擇

開關頻率的選擇需要在效率和帶寬之間進行權衡。較高的開關頻率可以獲得更大的帶寬，但效率會相對降低。在本次設計中，選擇了200 kHz的開關頻率，通過公式(f{osc} approx frac{1.72}{R{osc} × C_{osc}})計算得出(R_T)和(C_T)分別為7.15 kΩ和1200 pF。

3.2.2 變壓器設計

變壓器的設計主要涉及匝數比和初級電感。匝數比的計算公式為(N{psMAX}=frac{V{inMIN} × D{lim}}{(V{out} + V{Diode}) × (1 - D{lim})})，在本次設計中，目標占空比為50%，計算得出最大匝數比為3.5，實際使用匝數比為3.33。輔助繞組的匝數比通過(N{pa}=frac{N{ps} × (V{out} + V{Diode})}{V{aux}})計算得出為1.46，實際使用1.43。初級電感根據百分比紋波電流計算，公式為(L{PRI}=frac{V{inMAX}^2 × D{MIN}^2}{V{out} × I{out} × f{osc} × %{Ripple}})，計算得出為25 μH，實際使用21 μH。

3.2.3 RCD二極管鉗位設計

RCD二極管鉗位的設計需要先確定允許的節點過沖電壓(V{clamp}=K{clamp} × N{ps} × (V{out} + V{Diode}))，推薦(K{clamp})為1.5。然后根據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力通過(V{DiodeStress}=V{out}+frac{V{inMAX}}{N{ps}})計算得出為17 V，實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的寄生尖峰電壓。

3.2.5 輸出濾波器和電容設計

輸出電容的選擇需要滿足電壓紋波和輸出電流負載階躍的要求，通過公式(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}})計算得出最小電容值。在本次設計中，選擇了約1145 pF的電容，并添加了輸出濾波器和電感來進一步降低輸出電壓紋波。

3.2.6 補償設計

通過計算反激轉換器的極點和零點，選擇Type IIB補償來補償這些極點和零點。補償極點建議放置在轉換器的右半平面零點（RHPZ）附近，補償零點建議放置在預期交叉頻率的前一個十倍頻程。通過合理選擇補償電阻和電容的值，可以控制系統的增益，同時保持系統的穩定性。

3.2.7 感測電阻和斜率補償

感測電阻用于感測變壓器的紋波電流，并在轉換器的峰值電流過高時關閉開關周期。感測電阻的計算公式為(R{cs}=frac{V{CS} Threshold - V{Slope Comp Offset}}{I{limit}})，在本次設計中，選擇了0.075 Ω的感測電阻。斜率補償通過BJT實現，其最佳值可以通過一系列公式計算得出。

4. 布局與電源建議

4.1 布局指南

• 電感選擇：優先選擇低EMI的鐵氧體封閉磁芯電感，如環形和封裝E型磁芯電感。如果使用開放磁芯電感，應確保其具有低EMI特性，并遠離低功率走線和組件。
• 反饋走線：反饋走線應盡量遠離電感和嘈雜的功率走線，保持走線直接且適當加粗，必要時可將其布置在與電感相對的PCB一側，并使用接地平面進行隔離。
• 輸入/輸出電容：低阻值陶瓷輸入濾波電容應盡可能靠近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，也應將其靠近IC放置。
• 補償組件：外部補償組件應靠近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）走線應盡可能短、直且粗，標準PCB上的走線寬度應至少為每安培15 mils（0.381 mm）。電感、輸出電容和輸出二極管應盡量靠近，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直接連接到接地平面，建議在PCB的兩側都設置接地平面，以減少接地環路誤差和吸收電感輻射的EMI。對于多層板，可以使用接地平面分隔功率平面和信號平面，以提高性能。

4.2 電源建議

UC1843B-SP設計用于在8 - 32 V的輸入電壓范圍內工作，輸入電源應進行良好的調節。如果輸入電源與轉換器之間的距離較遠，除了陶瓷旁路電容外，還可能需要額外的大容量電容。通常可以選擇100 μF的鉭電容，但具體值應根據設備的啟動電路進行調整。

UC1843B-SP以其出色的特性和廣泛的應用場景，為電子工程師在電源設計方面提供了一個可靠的選擇。在實際設計過程中，我們需要根據具體的應用需求，合理選擇參數和進行布局設計，以充分發揮其性能優勢。大家在使用UC1843B-SP進行設計時，有沒有遇到過一些獨特的問題或者有什么獨特的設計經驗呢？歡迎在評論區分享交流。