深入剖析NCP13994：高性能半橋諧振轉(zhuǎn)換器控制器

在電子工程師的設(shè)計(jì)世界里，一款優(yōu)秀的控制器就像是一位得力助手，能夠?yàn)?a target="_blank">電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)帶來諸多便利和高性能表現(xiàn)。今天，我們就來深入剖析安森美（onsemi）的NCP13994，一款專為半橋諧振轉(zhuǎn)換器打造的高性能電流模式控制器。

文件下載：onsemi NCP13994電流模式諧振控制器.pdf

一、NCP13994概述

NCP13994是一款為半橋諧振轉(zhuǎn)換器量身定制的高性能電流模式控制器。它集成了高達(dá)700V的柵極驅(qū)動(dòng)器，大大簡(jiǎn)化了電路板布局，同時(shí)減少了外部元件的使用數(shù)量。內(nèi)置的欠壓輸入功能，讓它在各種應(yīng)用中都能輕松實(shí)現(xiàn)控制。對(duì)于需要PFC（功率因數(shù)校正）前級(jí)的應(yīng)用，NCP13994還具備專門的輸出端口，用于驅(qū)動(dòng)PFC控制器，再結(jié)合安靜跳過模式技術(shù)，進(jìn)一步提高了整個(gè)應(yīng)用在輕載時(shí)的效率。此外，它還提供了一系列保護(hù)功能，確保在任何應(yīng)用中都能安全運(yùn)行，包括過載保護(hù)、過流保護(hù)、欠壓檢測(cè)、線路過壓保護(hù)、X2電容放電、光耦開路檢測(cè)、自動(dòng)死區(qū)時(shí)間調(diào)整、過壓（OVP）和過溫（OTP）保護(hù)等。

框圖

二、核心特性解析

2.1 高電壓工作范圍與保護(hù)

• 高側(cè)驅(qū)動(dòng)器和高壓啟動(dòng)電流源：高側(cè)驅(qū)動(dòng)器的工作范圍可達(dá)700V，高壓?jiǎn)?dòng)電流源同樣具備700V的工作范圍，同時(shí)還提供線路欠壓和過壓保護(hù)功能，為高壓應(yīng)用提供了可靠的保障。
• X2電容放電功能：能夠有效對(duì)X2電容進(jìn)行放電，確保在電源斷開時(shí)的安全性。輸出驅(qū)動(dòng)器采用鉗位設(shè)計(jì)，最高可承受30V的電源電壓。

2.2 高頻與高效運(yùn)行

• 高頻操作：支持從20kHz到750kHz的高頻操作，能夠滿足不同應(yīng)用對(duì)頻率的需求。采用電流模式控制方案，結(jié)合自動(dòng)死區(qū)時(shí)間調(diào)整和最大死區(qū)時(shí)間鉗位功能，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
• 輕載與安靜模式：具備輕載運(yùn)行模式，提高了輕載時(shí)的效率；安靜跳過操作模式則能有效減少變壓器的聲學(xué)噪聲，為應(yīng)用提供了更安靜的工作環(huán)境。

2.3 低功耗與保護(hù)機(jī)制

• 超低功耗：具備關(guān)斷模式操作，可實(shí)現(xiàn)極低的空載功耗，降低了系統(tǒng)在無負(fù)載時(shí)的能耗。
• 多重保護(hù)：提供鎖存或自動(dòng)恢復(fù)的過載保護(hù)、輸出短路保護(hù)，以及針對(duì)嚴(yán)重故障條件（如OVP或OTP）的鎖存輸入保護(hù)，確保系統(tǒng)在各種故障情況下都能安全運(yùn)行。

三、引腳功能與電氣特性

3.1 引腳功能詳解

NCP13994共有16個(gè)引腳，每個(gè)引腳都有其特定的功能。例如，HV引腳用于連接整流后的交流線路或大容量電容器，實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)電流源和動(dòng)態(tài)自供電功能，同時(shí)還具備X2電容放電和線路欠壓/過壓保護(hù)功能；VBULK引腳用于監(jiān)測(cè)大容量電壓，實(shí)現(xiàn)欠壓保護(hù)；LLC FB引腳根據(jù)負(fù)載條件定義工作頻率，并在輕載條件下激活跳過/輕載模式操作等。

3.2 電氣特性分析

文檔中詳細(xì)列出了NCP13994在不同條件下的電氣特性參數(shù)，包括啟動(dòng)電流源、電源部分、HV感應(yīng)、X2放電、自舉部分、驅(qū)動(dòng)器輸出等方面。這些參數(shù)為工程師在設(shè)計(jì)電路時(shí)提供了重要的參考依據(jù)，確保系統(tǒng)能夠在各種工作條件下穩(wěn)定運(yùn)行。

四、關(guān)鍵功能實(shí)現(xiàn)原理

4.1 VCC管理與高壓?jiǎn)?dòng)電流源

NCP13994的高壓?jiǎn)?dòng)電流源能夠?qū)崿F(xiàn)快速啟動(dòng)和極低的待機(jī)功耗。系統(tǒng)提供了兩種啟動(dòng)電流水平（$I{start1}$和$I{start2}$），以確保在VCC和GND引腳之間發(fā)生短路時(shí)的安全性。高壓?jiǎn)?dòng)電流源主要根據(jù)$V_{CC}$電平來啟用或禁用，同時(shí)也可以通過BO_OK上升沿、自動(dòng)恢復(fù)定時(shí)器結(jié)束、關(guān)斷模式和TSD結(jié)束事件來啟用。在IC啟動(dòng)前，高壓?jiǎn)?dòng)電流源會(huì)對(duì)VCC電容器進(jìn)行充電。

4.2 欠壓保護(hù) - VBULK輸入

LLC轉(zhuǎn)換器的諧振 tank通常設(shè)計(jì)在特定的大容量電壓范圍內(nèi)工作。低于最小大容量電壓水平會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器功率級(jí)的電流和溫度過應(yīng)力。NCP13994通過VBULK輸入引腳，能夠精確調(diào)整大容量電壓的開啟和關(guān)閉電平，實(shí)現(xiàn)欠壓保護(hù)，大大簡(jiǎn)化了應(yīng)用級(jí)設(shè)計(jì)。

4.3 HV感應(yīng)與X2電容放電

• HV感應(yīng)：NCP13994的HV引腳具備真正的交流線路監(jiān)測(cè)電路，包括最小啟動(dòng)閾值、自動(dòng)恢復(fù)線路欠壓保護(hù)、線路過壓保護(hù)和X2電容放電功能。當(dāng)輸入電壓低于特定閾值時(shí)，會(huì)觸發(fā)相應(yīng)的保護(hù)機(jī)制，確保系統(tǒng)的安全運(yùn)行。
• X2電容放電：該功能通過專門的控制電路實(shí)現(xiàn)，能夠在檢測(cè)到交流線路斷開時(shí)，對(duì)X2電容進(jìn)行放電。放電電流會(huì)根據(jù)HV引腳電壓線性下降，以適應(yīng)不同的外部串聯(lián)電阻值。

4.4 過壓和過溫保護(hù)

OVP/OTP引腳是一個(gè)專門的輸入端口，用于實(shí)現(xiàn)過壓（OVP）和過溫（OTP）保護(hù)功能。這兩種保護(hù)功能可以根據(jù)NCP13994的不同版本選擇鎖存或自動(dòng)恢復(fù)模式。通過設(shè)置不同的電壓閾值，定義了一個(gè)無故障窗口，當(dāng)輸入電壓超出該窗口時(shí)，控制器會(huì)停止運(yùn)行，并觸發(fā)相應(yīng)的保護(hù)機(jī)制。

4.5 關(guān)斷模式控制

NCP13994實(shí)現(xiàn)了一種超低功耗的關(guān)斷模式操作。應(yīng)用輸出電壓會(huì)在標(biāo)稱值和較低值之間循環(huán)，由次級(jí)側(cè)關(guān)斷模式控制器（如NCP435x）定義。通過這種方式，可以顯著降低空載輸入功耗。NCP13994提供了兩種不同的關(guān)斷模式控制方法：主動(dòng)ON關(guān)斷模式控制和主動(dòng)OFF關(guān)斷模式控制。

4.6 PFC模式輸出

PFC MODE引腳可根據(jù)應(yīng)用的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)控制額外的電路。它主要有兩個(gè)用途：一是控制PFC前級(jí)控制器的運(yùn)行；二是根據(jù)大容量電容器電壓控制PG光耦。該引腳有三種可能的狀態(tài)：下拉狀態(tài)、調(diào)節(jié)電壓狀態(tài)和高阻狀態(tài)，通過不同狀態(tài)的切換，實(shí)現(xiàn)對(duì)PFC控制器的有效控制和功耗的優(yōu)化。

4.7 導(dǎo)通時(shí)間調(diào)制與反饋回路

• 電流模式控制：NCP13994的導(dǎo)通時(shí)間調(diào)制采用電流模式控制方案，確保了最佳的瞬態(tài)響應(yīng)性能，并提供了逐周期的過流保護(hù)功能。通過對(duì)諧振電容器電壓的采樣和處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間的精確控制。
• 反饋回路：反饋回路通過FB引腳電壓監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。FB引腳信號(hào)用于多種功能的檢測(cè)，如跳過模式操作、輕載模式檢測(cè)、關(guān)斷模式檢測(cè)和過載/開路故障檢測(cè)等。

4.8 過載和開路FB保護(hù)

通過監(jiān)測(cè)FB引腳電壓，當(dāng)電壓達(dá)到$V_{FB_FAULT}$水平時(shí)，觸發(fā)FB故障比較器，啟動(dòng)故障定時(shí)器。在預(yù)定義的時(shí)間內(nèi)確認(rèn)故障后，控制器會(huì)禁用驅(qū)動(dòng)脈沖，進(jìn)入保護(hù)模式，并根據(jù)IC選項(xiàng)選擇鎖存或自動(dòng)恢復(fù)操作。

4.9 二次側(cè)短路檢測(cè)

NCP13994通過監(jiān)測(cè)CS引腳信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)二次側(cè)短路的檢測(cè)。當(dāng)CS故障比較器被觸發(fā)時(shí)，CS故障計(jì)數(shù)器會(huì)遞增，當(dāng)計(jì)數(shù)器溢出時(shí)，控制器會(huì)根據(jù)IC選項(xiàng)進(jìn)入自動(dòng)恢復(fù)或鎖存保護(hù)模式。

4.10 專用啟動(dòng)序列與軟啟動(dòng)

• 啟動(dòng)序列：為了避免在啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)硬開關(guān)情況，NCP13994采用了專用的啟動(dòng)序列。在啟動(dòng)前，先將諧振電容器放電至$V_{HB_MIN}$，然后依次激活Mlower和Mupper驅(qū)動(dòng)器，根據(jù)不同的條件調(diào)整Mupper驅(qū)動(dòng)器的導(dǎo)通時(shí)間，確保在各種啟動(dòng)條件下都能實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)。
• 軟啟動(dòng)：軟啟動(dòng)過程通過軟啟動(dòng)計(jì)數(shù)器和D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)。軟啟動(dòng)計(jì)數(shù)器根據(jù)Mlower開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間進(jìn)行遞增，控制ON時(shí)間計(jì)數(shù)器和最大ON時(shí)間比較器，實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間的逐步增加，從而實(shí)現(xiàn)非線性軟啟動(dòng)，提高了系統(tǒng)在啟動(dòng)過程中的穩(wěn)定性和效率。

五、實(shí)際應(yīng)用與布局建議

5.1 典型應(yīng)用場(chǎng)景

NCP13994適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景，包括適配器和離線電池充電器、平板顯示器電源轉(zhuǎn)換器、計(jì)算機(jī)電源、工業(yè)和醫(yī)療電源等。在這些應(yīng)用中，它能夠充分發(fā)揮其高性能和高可靠性的優(yōu)勢(shì)，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源支持。

5.2 布局建議

正確的電路板布局是確保NCP13994可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。在布局時(shí)，要特別注意GND路徑的連接，確保信號(hào)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。同時(shí)，要合理安排各個(gè)引腳的位置，避免信號(hào)干擾和噪聲影響。

六、總結(jié)

NCP13994作為一款高性能的半橋諧振轉(zhuǎn)換器控制器，憑借其豐富的功能特性、可靠的保護(hù)機(jī)制和高效的運(yùn)行模式，為電子工程師在電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域提供了一個(gè)強(qiáng)大的工具。無論是在高壓應(yīng)用、高頻操作還是低功耗設(shè)計(jì)方面，它都表現(xiàn)出色。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體的需求，合理選擇IC選項(xiàng)，優(yōu)化電路板布局，充分發(fā)揮NCP13994的優(yōu)勢(shì)，為我們的設(shè)計(jì)帶來更出色的性能和可靠性。

你在使用NCP13994的過程中遇到過哪些問題？或者你對(duì)它的哪些特性最感興趣？歡迎在評(píng)論區(qū)留言分享你的經(jīng)驗(yàn)和想法。