多模高频PWM控制器UCC39421/2原理及其应用
摘要：UCC39421/2是高效多模式高频PWM控制器。文章简要介绍了UCC39421/2的功能特点，详细论述了UCC39421/2的构成原理及引脚功能，给出了UCC9421/2控制器的应用方法及应用电路。
1 UCC39421/2的功能特点
UCC39421/2是一种高效低功率DC/DC转换器。它在很宽的工作电源下具有很高的效率，并可提供编程上电复位功能，该芯片带有独立的低压检测比较器，同时具有脉冲调制、限流和低电流关断（5μA）功能，可广泛应用于蜂窝电话、录呼机、PDAs以及其它手持设备中。
UCC39421/2具有以下特点：
*采用高效升压单端初级电感控制，SEPIC或回扫（反向升压）拓扑结构，输入电压既可高于也可低于输出电压；
*输入电压低（最小为1.8V）；
*能驱动外部FETs以获得较大电流；
*具有高达2MHz的振荡频率；
*可同步操作；
*具有可编程变频模式，可优化功率和效率；
*具有脉冲调制限流功能；
*功耗极低，睡眠模式下的供电电流为150μA，关断模式下的供电电流仅为5μA。
图1 UCC39421/2结构方框图
2 构成原理及引脚功能
2.1 构成原理
UCC39421/2内部由电荷泵电路、PWM振荡器、导通控制电路、PWM电路、限流控制电路、低功率模式控制电路、斜率补偿电路、PFM模式控制电路、误差放大器、电池低电压比较器、复位电路、1.24V基准源电路以及比较器和逻辑电路等构成，其内部结构如图1所示。
2.2 封装及引脚功能
UCC39421/2采用双列20/16引脚封装，其引脚排列如图2所示。各引脚功能如下：
COMP：误差放大器输出端。应用时此端与地之间应连接一阻容串联补偿网络；
CHRG：N沟道MOSFET栅极驱动输出。应用时此端可直接与MOSFET栅极相连；
CP：电荷泵输入端。当使用电荷泵时，CP与泵电容相连；不使用电荷泵电路时，CP接GND；
FB：误差放大器反馈信号输入端。应用时此端通常连在VOUT与GND之间的电阻分压器上；
GND：控制器信号地；
ISENSE：电流检测放大器输入；
LOWBAT：比较器输入。当VDET引脚电压高于1.25V时，此端输出为低电平；
PFM：PFM（脉冲频率调制）模式门限编程引脚。将此脚连到FB或VOUT引脚的电阻分压器上可设置PFM的门限。不用此功能时，应将PFM与GND相连；
PGND：控制器功率地；
RECT：同步整流器输出。使用时此脚可与P沟道或N沟道MOSFET的栅极直接相连，亦可通过一个廉价的电阻与MOSFET的栅极相连；
RSEN：同步整流器转换端。在升压模式，此端通过一只1kΩ电阻与二只MOSFET管相连，并与电感的一端相连；在回扫和SEPICF时，此端通过只1kΩ电阻与同步整流器MOSFET的漏极和耦合电感的付边绕组连接处相连；
RSADJ：复位延时电容连接端。使用时从此脚到GND应连一个延时电容（UCC39421无此引脚）；
RSEL：同步整流使用N沟道或P沟道MOSFET选择端。当RSEL与GND相连（低电平）时，同步整流器使用N沟道MOSFET；当RSEL与VIN相连（高电平）时，同步整流器用P沟道MOSFET；
RESET：复位信号输出端（UCC39421无此脚）；
RT：振荡电阻连接端。应用中，此端到GND之间应连一电阻，以决定内部振荡器的振荡频率。振荡电阻RT与内部振荡器的振荡频率f0之间的关系为：
f0(MHz)=50/RT(kΩ)
SYNC/SD：同步/关断输入。其作用是使控制器的开关频率与内部时钟频率同步或关闭控制器。
VPUMP：电荷泵输出。应用时此脚与地位连接一只1μF电容。
VOUT：控制器输出引脚；
VIN：电源输入引脚。应用时此脚与GND之间应连一只0.1μF的去耦电容；
VDET：低电池电压检测输入端（UCC39421无此引脚）。
3 应用
3.1 拓扑结构与同步整流器
UCC39421/2可用来构成BOOST、Flyback及SEPIC拓扑。此时，该控制器可在Vin=1.8～8V下工作。应用中可根据输入电压和输出电压选择合适的拓扑类型，表1列出了UCC39421/2的VIN、VOUT和拓扑之间的关系。
表1 输入输出电压与拓扑的关系
| 电池类型 | 电池数目 | VIN范围 | VOUT（V） | 拓扑结构 |
| 碱性或镍镉、镍氢 | 2 | 1.8V～3.0V | 3.0<V<8.0 | 升压 |
| 3 | 2.7V～4.5V | 2.5<V<3.9 | 回扫或SEPIC | |
| 4.5<V<8.0 | 升压 | |||
| V>8.0 | 非同步升压 | |||
| 锂离子 | 1 | 2.5V～4.2V | 2.5<V<3.6 | 回扫或SEPIC |
| 4.2<V<8.0 | 升压 | |||
| V>8.0 | 非同步升压 |
UCC39421/2既可驱动N海道MOSFET，亦可驱动P沟道MOSFET同步整流器。当RSEL引脚与GND相连时，RECT脚可为N沟道MOSFET提供驱动输出信号；而当RSEL脚与VIN相连时，RECT脚则为P沟道MOSFET提供驱动输出信号。其拓扑类型、VOUT与同步整流器的关系如表2所列。
表2 拓扑类型、VOUT与MOSFET的关系
| 拓 扑 | VOUT（V） | 同步整流器 |
| 升 压 | 3.0<V<8.0 | P沟道MOSFET |
| V<4.0 | N沟道MOSFET | |
| V>8.0 | 非同步升压 | |
| 回 扫 | 2.5<VV3.0 | N沟道MOSFET |
| 3.0<V<8.0 | N沟道MOSFET | |
| SEPIC | 3.0<V<8.0 | P沟道MOSFET |
3.2 典型应用电路
图3所示是UCC39422的典型应用电路，图中给出了外围元件的连接关系。对于UCC39421来说，它与UCC39422相比，仅少了一个独立低电池电压检测电路复位电路，其余均相同。
在图3电路中，与UCC39422脚11（VDET）相连的R1、R2构成的电阻分压器的作用是检测电池的低电压。
图5 运用N沟道MOSFET同步整数流器不带电荷泵输入的回扫变换器
3.3 升压变换应用电路
图4是UCC39421用N沟道MOSFET作同步整流器的升压变换器电路。
在图4中，输入电压VIN的范围为1.8V～3.2V，输出电压Vout为3.3V，这与表1所列的升压拓扑模式相符。RSENSE为电流感测电阻，DPUMP、CFLY组成的电荷泵电路可使CFLY上升的充电电压达到VOUT-VDIODE。CPUMP是电荷泵储存电容器。
3.4 回扫变换应用电路
图5所示是UCC39421运用N沟道MOSFET作同步整流器，且不带电荷泵输入的回扫变换电路原理图。图中，L1初次级的匝比为1：1。此拓扑的优点在于VOUT可以高于也可以低于VIN。