开关电源知识库

UC3842 — 02 内部框图与工作原理

依据:TI SLUS223H §7 详细描述(图 7-1 框图、图 7-3/7-4 内部电路、§7.3 特性描述、§7.4 功能模式),式 (1)~(8) 编号照录。框图/电路图均为手册原版翻拍。标注「本库推导」的推导过程为手册之外的工程展开,可复算验证。

本篇总结

  1. 全芯片行为可归结为要点:“时钟把开关打开,电流把开关关上”——振荡器决定每拍起点(置位锁存器),初级电流斜坡触及误差电压即提前结束导通(复位锁存器)。电压外环只负责告诉内环“这条电流斜坡允许多高”。
  2. 电流模式对输入电压的前馈是结构自带、无需额外代价的:导通时间 ton = LP×ΔI/VIN,输入升高斜坡变陡、更早触及阈值,占空比一拍之内自动收窄——不等电压外环反应。这就是 DS 特性表“Automatic Feedforward Compensation”的物理含义。
  3. D>50% 的 CCM 反激必须斜坡补偿:扰动逐周期按 |m2−Se|/(m1+Se) 的比例交替翻转放大(次谐波振荡,本库按式推导并代入官方实例数字验证);TI 的 QP=1 准则给出 Se=44.7 mV/µs,恰在“死拍补偿”(m2/2=31.5)与“完全补偿”(m2=63)之间——补偿深度有明确依据,并非无规律可循。
  4. 逐周期限流是电流模式的结构性附带功能:ISENSE 阈值钳位 1.0 V 与 COMP 无关,环路坏掉也炸不了管(但注意斜坡补偿注入会压低有效限流点,见 §4.3)。
  5. PWM 锁存器“复位优先”同时带来两项保证:双脉冲抑制(一拍最多一个脉冲)与确定的最小关断时间——这是电流模式能稳定运行、多管拓扑不直通的硬件保证。
  6. COMP<约 1.4~1.8 V → 阈值归零(图 6-2 实测曲线),这是“拉地关断”的机理;内部精确算式手册未公布,工程近似 VTH ≈ (VCOMP−1.7 V)/3(25 ℃,读自图 6-2)。
  7. UVLO 的 6 V 迟滞 + 0.5 mA 启动电流是一对孪生设计:没有宽迟滞,高阻启动电阻维持不了 11 mA 的工作电流;没有低启动电流,迟滞窗口里存的能量也不够。

1. Overview:为什么 1984 年要发明这颗芯片

动机先行:在 UC3842 之前,开关电源用电压模式控制——误差电压与锯齿波比较定脉宽。两个控制法的本质差异一张表看清:

维度 电压模式 峰值电流模式(UC3842)
控制变量 占空比(误差 vs 人工锯齿) 电感电流峰值(误差 vs 电流斜坡)
输入扰动响应 等输出误差积累,毫秒级 一拍内前馈修正(§4.2)
逐周期限流 做不到(要外加保护电路) 结构自带(1 V 阈值钳位)
环路补偿 单极点系统但要补输入增益变化 电流环降阶为一阶,电压环好补
固有缺陷 — D>50% 次谐波振荡(§4.3)、对噪声敏感

三个痛点各得一个结构级解法:① 电流内环天然对输入前馈;② 限流=比较器阈值钳位,逐周期、硬件速度;③ 逐周期控制电流峰值,磁通失衡可被逐拍纠偏(配合 3844/45 的 50% 钳位)。代价也有:D>50% 需斜坡补偿、对噪声敏感(电流信号本来就不大)——这两条手册都给了硬件对策。

为什么 40 年经久不衰(本库归纳,业界共识):

2. 功能框图文字走读(按信号流)

UC3842 内部框图(TI SLUS223H 图 7-1 原版,翻拍自手册)

按上电顺序和控制信号流各走一遍:

上电链路(自下而上,五级依次衔接):

  1. VCC 上升(启动电阻给 CVCC 充电);
  2. UVLO 比较器在 16 V(typ)放行——框图中央的“ON/OFF Command”同时完成三件事:关断 5 kΩ 的 VREF 下拉、给内部偏置上电、解除输出封锁;
  3. 5 V 带隙基准建立(µs 级);
  4. “VREF Good” 逻辑放行 2.5 V 基准与 EA;
  5. 振荡器起振、比较器使能。放行之前:VREF 脚被内部 5 kΩ 拉地、OUTPUT 高阻(仅微小灌电流)、整机 <1 mA。上电顺序是硬件强制的——基准没好之前时钟和驱动绝不动作,这不是软件约定。

控制链路(自外而内,三层比较关系):

时序链路:振荡器(RRT/CCT)→ 时钟脉冲(放电段结束沿)→ 锁存器置位端 → 图腾柱输出。3844/45 在振荡器与锁存器之间插 T 触发器,隔周期放行。

五个模块各司其职:UVLO 控制准入、振荡器提供时钟、误差放大器设定目标、PWM 比较器终止导通、锁存器保证一拍一脉冲。

3. 功能模块详解(对照 TI §7.3 编号)

3.1 欠压锁定 UVLO(DS §7.3.5)

3.2 振荡器(DS §7.3.6,式 1/7/8)

3.3 误差放大器(DS §7.3.4,图 7-4)

UC3842 误差放大器内部结构:开集输出+0.5 mA 电流源,COMP 经两管压降、R:2R 分压与 1 V 基准送 PWM 比较器(TI SLUS223H 图 7-4 原版,翻拍自手册)

3.4 电流检测比较器(DS §7.3.3,图 7-3,图 6-2)

UC3842 电流检测阈值 vs 误差放大器输出电压(TI SLUS223H 图 6-2 原版,翻拍自手册)

COMP 电平 对应状态 现场判读
<≈1.4 V(两管压降下) 关断命令区:阈值归零,零占空比 光耦拉死/外部关断/保护在身
≈1.4~1.8 V 阈值刚从零回升,极窄脉冲 空载、极轻载(DCM 小占空比)
≈2.5~4 V 正常调节区(阈值 0.3~0.8 V) 环路工作的主要区间
≈5 V(升至 VOH≈6 V 前) 电流指令满程,限流钳位接管 环路指令无法再提升:过载或限流点太低(01 篇 Q1)

这张表是现场检修最实用的判读依据:示波器看一眼 COMP 直流电平,就能区分“环路在调节”与“环路已到上限”。

3.5 PWM 锁存器(DS 特性表“双脉冲抑制”)

3.6 输出级(DS §7.3.1.6)

3.7 扩展功能速览(DS §7.3.8/§7.3.10/§7.3.12)

3.8 COMP 的三种接法:一个引脚三种系统架构(本库归纳)

COMP 的开集+电流源结构在系统层面给出三种标准接法,环路的精度与复杂度由接法决定:

接法 信号链 环路里 EA 的角色 精度决定者 适用
初级侧调节 输出分压→VFB;II 型网络接 VFB-COMP 主误差放大器 内部 2.5 V 门坎(±3.2%) 非隔离、成本低
光耦直接驱动 光耦集电极接 COMP,VFB 接地 被旁路:被强制高态源出 0.8 mA,光耦对抗它控制 COMP 次级 TL431 基准 隔离、次级调节(DS §7.3.4 口径)
混合(官方实例) TL431 做误差放大,光耦传误差,EA 级只提供增益 2 与补偿极点 中间增益级 TL431 隔离+精确+可补偿

为什么 VFB 必须接地(易错点):不接地时 EA 会按“2.5 V 门坎”自行把 COMP 往高推,与光耦往下拉形成对抗——环路线性度被破坏,实测表现为占空比对负载的响应迟钝且非线性。接地后 EA 同相/反相同为虚地关系,COMP 完全由光耦电流决定(经 RCOMPp/CCOMPp 网络定增益与极点,见 03 篇)。

4. 控制律展开推导(本库推导,代入官方实例数字)

官方实例参数(与 03 篇一致):LP=1.5 mH,RCS=0.75 Ω,fSW=110 kHz,VBULK=75~375 V,NPS=10,VOUT+VF=12.6 V。

4.1 占空比公式:电流模式的“控制律”

导通期初级电流以斜率 m1 = VIN/LP 上升,采样电压以 m1×RCS 上升。触及阈值条件(忽略滤波与斜坡补偿的稳态影响):

VIN/LP × ton × RCS = VTH        (VTH = ISENSE 引脚阈值,由 COMP 决定)
⇒ ton = VTH × LP / (RCS × VIN)
⇒ D   = VTH × LP × fSW / (RCS × VIN)

代入:满限流 VTH=1.0 V、VBULK=75 V → D = 1.0×1.5e-3×110e3/(0.75×75) = 2.93(>1,说明限流钳位下低压满载时电流指令已被 COMP 推到上限,实际工作点 D=0.627 对应 VTH = 0.627×75×0.75/(1.5e-3×110e3) = 0.214 V——注意这是斜坡补偿后信号平衡点的等效值,见 §4.3,COMP 折算阈值约 0.9 V 量级被注入斜坡“占用”了相当部分)。这个式子的价值在下一节。

读式三则:① D∝1/VIN 的比例关系是下一节前馈的全部来源;② 分子里的 VTH 是“可编程量”——它由 COMP 控制,这正是电压外环的执行入口;③ 公式不区分 CCM/DCM:DCM 时谷值恒为 0,CCM 时触及阈值的条件不变(峰值被钳住的是峰值),差别只在谷值由能量平衡决定。

4.2 输入前馈:为什么一拍修正

从上式直接读:D ∝ VTH/VIN。输入电压阶跃时,若 VTH(即 COMP)不动:

4.3 次谐波振荡与斜坡补偿深度(推导 + 官方数字验证)

机理推导:设某周期起点电流扰动 δI0。导通期斜率 m1(信号侧含注入斜坡,见下),触及阈值的时刻提前/推迟 δt = −δI0/(m1+Se)(Se 为注入 ISENSE 节点的补偿斜坡斜率,把指令变成“下坡线”等效于斜坡加法)。周期末扰动(本库按触及阈值-放电两段推导):

δI1/δI0 = (Se − m2)/(m1 + Se) = −(m2 − Se)/(m1 + Se)

其中 m2 为放电斜率折算到采样侧。无补偿(Se=0)时 |δI1/δI0| = m2/m1 = D/(1−D)——D>50% 即 |比值|>1,扰动逐拍交替放大,表现为奇偶周期占空比一宽一窄的次谐波振荡,纹波激增、最坏时限制功率能力。

为什么 DCM 天然免疫(本库展开):DCM 里每拍电流从零开始、由时钟清零重建,扰动没有跨拍传递的载体——δI0 无从累积,所以 D<50% 或纯 DCM 不装斜坡补偿也能稳。这也解释了轻载(自动进 DCM)时欠补偿系统“自行稳定”的现象:症状只在 CCM 深处出现。

代入官方实例(本库复算):

UC3842 斜坡补偿注入电路(TI SLUS223H 图 7-11 原版,翻拍自手册)

4.4 一个开关周期的完整时序(实例走读,本库展开)

UC3842 一个开关周期时序(DCM 反激,自绘示意,img/make_img.py 可复现)

以官方实例参数(LP=1.5 mH、RCS=0.75 Ω、110 kHz、T=9.09 µs)走一遍五段:

  1. 放电段结束 → 时钟沿 → 锁存器置位:CCT 放电完毕(死区 0.65 µs 已过),时钟脉冲置位锁存器,OUTPUT 拉高,MOSFET 开通。此刻 ISENSE 上还残留上一拍的前沿尖峰——这就是滤波器存在的理由。
  2. 导通段(CCM 满载低压):初级电流从谷值 1.075 A 以 0.05 A/µs(=75 V/1.5 mH)线性上升;RCS 把它变成 0.8~1.0 V 的斜坡;注入斜坡(44.7 mV/µs)叠加其上共同升至阈值线。同时 CCT 在充电,为下一拍计时。
  3. 触及阈值 → 比较器翻转 → 锁存器复位:采样信号(电流斜坡+注入斜坡)达到 COMP 折算阈值 → 复位优先 → OUTPUT 拉低。从触及阈值到栅极实际放电有 150 ns typ 延迟——电流再上升 0.008 A(75 V 时),这段是“限流点余量”的一部分。
  4. 关断段(能量倒送):初级 VDS 抬到 VBULK+NPS×(VOUT+VF)=75+126=201 V 再加漏感尖峰(RCD 吸收抑制);次级二极管导通,次级电流以 (VOUT+VF)/L_sec = 12.6 V/(1.5 mH/100) = 0.84 A/µs 下降(折算回初级 0.084 A/µs × RCS = 63 mV/µs,即 §4.3 的 m2 ✓ 三处数字自洽)。
  5. 放电段(死区):CCT 恒流快速放电,输出封锁为低,时钟沿等待。DCM 时电流先降到零、VDS 出现谐振钟形(QR 控制器就是检测这个谷底,见 30_经典IC精读/02_准谐振QR 分类)。

时序校核的工程意义:T=9.09 µs 里导通 5.7 µs、关断 2.74 µs、死区 0.65 µs——三个数字分别由电流环、能量平衡、振荡器放电电流决定。改任何一个元件都会同时牵动三项核算:换 CCT → 死区与频率同变;换 LP → 导通斜率与 CCM 边界同变;换 RCS → 限流点与斜坡补偿同变。这就是 03 篇设计流程必须按顺序走的原因。

4.5 从电流越限到栅极关断:全链路延迟核算(本库推导)

保护动作不是瞬时的,全链路 = 比较器延迟 + 滤波器极点 + 驱动边沿:

t_total ≈ tDLY(150 ns typ / 300 ns max) + τ_filter(0.42 µs 实例) + t_fall(25 ns)
        ≈ 0.6 µs(typ)…… 高线时电流仍在爬
过冲 ΔI ≈ m1 × t_total:VBULK=375 V 时 0.25 A/µs × 0.6 µs ≈ 0.15 A(≈11% of 1.36 A)

设计含义:① 限流点余量必须 ≥ 过冲,否则磁芯在延迟窗口里进入饱和(饱和后斜率更陡、过冲更大——正反馈到炸管);② τ_filter 与 tDLY 相互制约:滤波重了尖峰不误触发但过冲大,滤波轻了反之——DS 只给“τ 远小于最小导通脉宽”的定性线,定量要自己在最坏输入电压下做这项核算;③ tDLY 是 max 300 ns 的工艺参数(双极),选型时不能当零。

5. Device Functional Modes(工作模式与切换条件,DS §7.4 全口径)

模式 进入条件 芯片行为 退出条件 设计含义
UVLO 模式 VCC < 16 V(未达开启阈值) I<1 mA;VREF 经 5 kΩ 拉地(可作逻辑信号);OUTPUT 高阻+微灌 VCC ≥ 16 V 启动电阻、CVCC 按此模式电流设计
正常工作(峰值电流模式) VCC≥16 V 且未掉出关断阈值 时钟置位、电流触及阈值复位,fSW=fOSC(42/43 档) VCC<10 V 或关断命令 主要工作区;D>50% 装斜坡补偿
正常工作(电压模式改造) ISENSE 注入锯齿波 比较器比“人工斜坡 vs 误差电压” — DS §7.3.11,按电压模式补偿
逐周期限流(瞬态,自恢复) ISENSE ≥ 1 V(0.9~1.1) 本拍提前收窄;下一拍若仍超限再次关断 电流回落 < 阈值 硬件速度的保护;持续超限=打嗝源(经 CVCC 跌落间接实现)
关断命令(可控,自恢复) COMP<约1.4~1.8 V 或 ISENSE 强制>1 V 比较器输出高→锁存复位→输出低至下一时钟;条件撤除后恢复 条件撤除 光耦拉死 COMP、外部 OLP/OVP 都走这条
锁存关断(外部 SCR) SCR 触发拉死 COMP/ISENSE 输出持续低 VCC 循环跌破 10 V(基准掉电 SCR 复位) DS §7.3.8;锁死类保护必配断电重启逻辑
齐纳钳位(异常) 高阻抗源使 VCC 超钳位 齐纳吸收(IVCC<30 mA 时自限) 源电压回落 只防高阻过压;低阻抗超 30 V 无保护

6. 保护机制逐个拆解(触发→动作→锁死/自恢复→设计意图)

机制 触发条件 内部动作 恢复方式 为什么这样设计
UVLO VCC<16 V 开启前 / <10 V 关断后 基准掉、输出高阻、电流 <1 mA 电压回窗口自动恢复 保证 VCC 足够全芯片可用才放行;宽迟滞供高阻启动积累能量
逐周期限流 ISENSE≥1 V(每拍独立判定) 当拍提前关断 下一拍自动重判 硬件速度(150 ns)保护开关管与磁芯;且无需额外电路——控制律本身就有电流采样
COMP 拉地关断 COMP<两管压降(≈1.4 V) 阈值归零(图 6-2 曲线读出) 释放即恢复,最多延迟一拍 EA 开集+限流结构使拉地无损——外部控制口与保护口合一,省脚
双脉冲抑制 同周期比较器多次翻转 锁存器复位优先,一拍一脉冲 无需恢复 防噪声重触发导致的电流失控与磁通阶梯
VCC 齐纳 高阻源 >钳位(34/39 V 手册不一致) 钳位吸收(≤30 mA 自限) 源回落 仅覆盖“启动电阻接错电源”类高阻故障;低阻过压靠设计者约束辅助绕组
(外部)软启动 上电 RSS/CSS 使 COMP 缓慢上升 每次上电重演 芯片无内置;防变压器涌入与输出过冲
(外部)SCR 锁存 拉死 COMP/ISENSE 输出封死 断 VCC 循环 真正的锁死保护:HW 过压/过流一次锁死,人工/时序复位

一个值得体会的设计哲学:UC3842 把“可恢复”的(UVLO、逐周期)做进芯片,把“锁死”的留给外部(SCR+断电)——1984 年的集成度下,这是“芯片管住每个周期的物理量,系统级锁死交给系统”的分工,也塑造了此后所有 PWM 控制器的保护框架。

精炼要点

要点 数值/关系 为什么重要
控制律 ton = VTH×LP/(RCS×VIN),D∝1/VIN 前馈的本质;输入阶跃一拍修正
次谐波失稳边界 D>50%(Se=0),失稳比 m2/m1=D/(1−D) CCM 反激 D=0.627 必补斜坡
稳定性比值 (m2−Se)/(m1+Se),实例 0.22 补偿后扰动一拍衰减到 22%
TI 补偿准则 MC=(1/π+0.5)/(1−D)=2.19 → Se=44.7 mV/µs 介于死拍 31.5 与全补 63 之间,有据可依
阈值传递 VTH≈(VCOMP−1.7 V)/3,上限 1.0 V 钳位 COMP 全摆程 ↔ 电流指令全行程;近似读自图 6-2
斜坡补偿副作用 满限流真实峰值 (1.0−Se·ton)/RCS≈0.99 A 限流点设计必须扣掉被斜坡占用的部分
锁存器 复位优先,一拍一脉冲 双脉冲抑制 + 确定最小关断的硬件保证
UVLO 能量核算 6 V×CVCC/I工作 ≈ 45 ms(120 µF) 软启动+辅助接管的全部时间预算
关断口 COMP<1.4 V 或 ISENSE>1 V 一个比较器两种用途;SCR 锁死需断 VCC 复位
死区 CCT=1 nF→0.65 µs→DMAX≈92.8% 与电气表 min 92% 互洽;死区 ≤15% 周期

上一级:UC3842