深入解析NCP1345：高性能準(zhǔn)諧振反激控制器的卓越之選

在電子工程師的設(shè)計(jì)世界里，尋找一款性能卓越、功能豐富的控制器至關(guān)重要。onsemi的NCP1345準(zhǔn)諧振反激控制器，專為高性能離線USB - PD和USB Type - C電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，憑借其獨(dú)特的特性和強(qiáng)大的功能，成為了眾多工程師的理想之選。下面，我們就來全面深入地了解一下這款控制器。

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一、NCP1345概述

NCP1345是一款高度集成的準(zhǔn)諧振反激控制器，適用于設(shè)計(jì)高性能離線USB - PD和USB Type - C電源轉(zhuǎn)換器。它采用了雙引腳VCC架構(gòu)，可直接連接到輔助繞組，簡化了VCC管理，減少了元件數(shù)量，提高了性能。同時(shí)，它還具備精確的初級側(cè)輸出電流限制電路，能確保恒定的輸出電流限制，不受編程輸出電壓或銘牌輸出功率的影響。

框圖

典型應(yīng)用電路

二、關(guān)鍵特性剖析

（一）啟動(dòng)與供電電路

NCP1345集成了高壓啟動(dòng)電路和欠壓檢測功能。在啟動(dòng)過程中，當(dāng)VCC達(dá)到啟動(dòng)閾值（典型值17.0V）時(shí)，控制器開始工作；當(dāng)VCC低于關(guān)閉閾值（典型值9.0V）時(shí)，控制器停止工作。啟動(dòng)電流在不同階段會(huì)根據(jù)VCC的電壓進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)高效啟動(dòng)和低功耗。例如，當(dāng)VCC低于抑制閾值時(shí)，啟動(dòng)電流會(huì)降低到典型值0.5mA，以限制器件的功耗。

（二）雙VCC管理

為了適應(yīng)USB - PD 3.0適配器設(shè)計(jì)中輸出電壓的廣泛變化（3.3V - 21V），NCP1345采用了雙范圍VCC架構(gòu)。除了常規(guī)的VCCL引腳外，還增加了VCCH引腳，額定電壓高達(dá)200V。當(dāng)輸出電壓較低時(shí)，VCCH引腳從VCCH繞組接收約12.6V的電壓，并通過內(nèi)部穩(wěn)壓器將其傳遞給VCCL；當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，內(nèi)部穩(wěn)壓器會(huì)確保VCCL保持在10V。這種設(shè)計(jì)有效地解決了在寬輸出電壓范圍內(nèi)為控制器提供穩(wěn)定供電的問題。

（三）驅(qū)動(dòng)能力

DRV引腳具有高電流驅(qū)動(dòng)能力（- 0.5/+0.8A），能夠有效地驅(qū)動(dòng)高柵極電荷功率MOSFET。同時(shí)，DRV引腳還集成了有源電壓鉗位功能，將外部MOSFET的柵極電壓限制在典型值12V，最大不超過14V，確保了MOSFET的安全可靠運(yùn)行。

（四）反饋接口

NCP1345提供了兩種反饋接口選項(xiàng)。

1. 電阻上拉選項(xiàng)：這是默認(rèn)選項(xiàng)，采用電壓控制架構(gòu)。FB引腳通過上拉電阻連接到5V電源，默認(rèn)上拉電阻值為20kΩ。通過內(nèi)部4:1的電壓分壓器，將FB引腳的電壓信號分別輸入到跳周期和谷底比較器以及PWM比較器和電流限制比較器中。這種架構(gòu)的閉環(huán)帶寬通常在1 - 2kHz之間。
2. 共源共柵緩沖高帶寬架構(gòu)：采用電流控制架構(gòu)，通過共源共柵緩沖器設(shè)置電壓鉗位（典型值2V），將傳統(tǒng)的電壓控制架構(gòu)轉(zhuǎn)換為電流控制架構(gòu)。這種架構(gòu)大大降低了光耦集電極所看到的有效阻抗，使開關(guān)電源能夠?qū)崿F(xiàn)更高的閉環(huán)帶寬。同時(shí)，還可以通過在集電極和地之間連接電容來設(shè)置高頻極點(diǎn)，以穩(wěn)定開關(guān)電源的控制環(huán)路。

（五）保護(hù)功能

NCP1345具備多種保護(hù)功能，確保了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

1. 欠壓保護(hù)：當(dāng)HV引腳電壓低于欠壓閾值（典型值99V）時(shí)，定時(shí)器啟動(dòng)。如果在定時(shí)器超時(shí)（典型值54ms）之前HV引腳電壓仍未超過閾值，控制器將停止工作，進(jìn)入非鎖存故障模式。
2. 線路移除和輸入濾波電容放電電路：該功能集成了有源輸入濾波電容放電電路，通過對HV引腳電壓進(jìn)行數(shù)字采樣和斜率監(jiān)測來檢測線路移除。當(dāng)檢測到線路移除時(shí)，啟動(dòng)HV放電周期，確保輸入濾波電容安全放電。
3. 過壓保護(hù)（OVP）：當(dāng)Fault引腳電壓超過過壓閾值（典型值3.0V）時(shí)，控制器鎖存；當(dāng)VCC超過VCC(OVP)（典型值36.5V）時(shí)，柵極驅(qū)動(dòng)禁用，控制器進(jìn)入鎖存故障模式。
4. 過溫保護(hù)（OTP）：通過NTC熱敏電阻檢測溫度，當(dāng)熱敏電阻電壓低于過溫閾值（典型值0.4V）時(shí)，控制器檢測到故障。不同選項(xiàng)下，控制器的響應(yīng)方式不同，有的會(huì)鎖存，有的會(huì)在故障移除且滿足一定條件后自動(dòng)恢復(fù)。
5. 過功率保護(hù)（OPP）：通過HV引腳感測交流線路輸入電壓的峰值，并將其內(nèi)部縮放后用于OPP。ZCD引腳不僅用于檢測變壓器的去磁，還用于設(shè)置OPP補(bǔ)償水平和感測輸出電壓。
6. 過載保護(hù)：過載定時(shí)器對過載故障的持續(xù)時(shí)間進(jìn)行積分，當(dāng)定時(shí)器超時(shí)（典型值160ms）時(shí)，控制器檢測到過載條件，可能會(huì)鎖存或進(jìn)入安全的低占空比自動(dòng)恢復(fù)模式。
7. 輸出電流限制：為了滿足一些法規(guī)對輸出電流和功率的限制要求，NCP1345采用了特殊的自動(dòng)調(diào)諧輸出電流限制電路。通過準(zhǔn)確感測去磁時(shí)間的開始和結(jié)束點(diǎn)，結(jié)合相關(guān)公式計(jì)算輸出電流，并進(jìn)行反饋控制，以保持恒定的輸出電流限制。
8. 異常過流保護(hù)（AOCP）：在一些嚴(yán)重故障條件下，如繞組短路，開關(guān)電流可能會(huì)迅速增加。NCP1345通過增加一個(gè)額外的比較器來檢測異常過流故障，當(dāng)連續(xù)檢測到四個(gè)異常過流故障時(shí)，控制器進(jìn)入鎖存模式。
9. 電流檢測引腳故障保護(hù)：當(dāng)CS引腳開路時(shí)，1μA（典型值）的上拉電流源會(huì)將CS引腳拉高，禁用控制器；當(dāng)CS引腳短路到地時(shí)，最大導(dǎo)通時(shí)間（典型值32μs）可防止MOSFET永久導(dǎo)通。
10. 輸出短路保護(hù)：在輸出短路時(shí)，由于控制器的谷底超時(shí)功能，磁芯可能會(huì)飽和。但NCP1345在ZCD引腳電壓高于觸發(fā)閾值時(shí)會(huì)禁用超時(shí)定時(shí)器，直到去磁完成后才會(huì)產(chǎn)生下一個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖，從而保護(hù)了初級MOSFET和次級二極管。

三、工作模式詳解

（一）準(zhǔn)諧振（QR）工作模式

NCP1345是一款準(zhǔn)諧振反激控制器，通過監(jiān)測變壓器輔助繞組電壓來檢測變壓器的去磁情況。當(dāng)變壓器去磁完成后，電源開關(guān)在漏極電壓的谷底開啟，從而降低了開關(guān)損耗和電磁干擾（EMI）。

（二）谷底鎖定（VLO）操作

為了避免傳統(tǒng)QR反激控制器在負(fù)載變化時(shí)出現(xiàn)谷底跳躍和不穩(wěn)定現(xiàn)象，NCP1345采用了專利的谷底鎖定（VLO）電路。一旦選擇了一個(gè)谷底，控制器將鎖定在該谷底，直到輸出功率發(fā)生顯著變化。不同的FB電壓對應(yīng)不同的谷底選擇閾值，每個(gè)谷底選擇比較器都具有600mV的遲滯，有助于穩(wěn)定運(yùn)行。

（三）頻率折返（FF）模式

當(dāng)輸出負(fù)載降低，F(xiàn)B電壓下降到一定程度時(shí)，控制器進(jìn)入頻率折返模式。在該模式下，最小峰值電流設(shè)定點(diǎn)增加，開關(guān)頻率降低，以提高輕載效率。同時(shí)，為了減少進(jìn)入和退出頻率折返模式的遲滯，設(shè)置了退出閾值略低于進(jìn)入閾值，并通過1ms的定時(shí)器來防止工作點(diǎn)過渡時(shí)的振蕩。

（四）輕載管理模式

1. 最小頻率鉗位和跳周期模式：電路防止開關(guān)頻率低于最小頻率（典型值25kHz），當(dāng)開關(guān)周期過長時(shí)，會(huì)強(qiáng)制啟動(dòng)新的開關(guān)周期。當(dāng)FB電壓低于跳周期閾值時(shí)，電路開始跳脈沖；當(dāng)FB電壓超過跳周期閾值加上遲滯電壓時(shí)，恢復(fù)正常工作。
2. 安靜跳周期模式：為了避免跳周期模式下的突發(fā)頻率進(jìn)入可聽范圍，電路通過一個(gè)定時(shí)器（典型值1.25ms）來限制突發(fā)頻率的最大值為800Hz。在無負(fù)載情況下，該操作有助于提高效率。
3. 自動(dòng)調(diào)諧跳周期模式：為了防止在低電壓輸出時(shí)出現(xiàn)過大的輸出紋波，NCP1345通過ZCD引腳在去磁階段感測輸出電壓，并根據(jù)感測到的電壓自動(dòng)調(diào)整跳周期閾值，為每個(gè)輸出電壓提供最佳的進(jìn)入點(diǎn)。

四、典型應(yīng)用與注意事項(xiàng)

（一）典型應(yīng)用電路

NCP1345的典型應(yīng)用電路如圖所示，包括高壓輸入連接、啟動(dòng)電路、VCC管理電路、反饋電路、驅(qū)動(dòng)電路等部分。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求選擇合適的元件參數(shù)，以確?？刂破鞯男阅芎头€(wěn)定性。

（二）注意事項(xiàng)

1. HV引腳連接：HV引腳必須直接連接到交流線路，并且在連接前需要對線路和中性線進(jìn)行二極管“或”操作，以防止引腳電壓低于地。同時(shí)，應(yīng)使用串聯(lián)電阻來保護(hù)引腳，在啟動(dòng)時(shí)使用低阻值電阻（<5kΩ）以減少電壓偏移。
2. VCC電容選擇：CVCC的大小需要根據(jù)控制器啟動(dòng)時(shí)輔助電源電壓的上升情況進(jìn)行合理選擇，以確保在啟動(dòng)過程中VCC電壓始終高于關(guān)閉閾值。同時(shí)，需要考慮控制器啟用后總ICC電流（ICC3加上ΔICC）的影響。
3. 反饋接口選擇：根據(jù)具體的應(yīng)用需求選擇合適的反饋接口選項(xiàng)。如果需要較高的閉環(huán)帶寬，可以選擇共源共柵緩沖高帶寬架構(gòu)；如果對帶寬要求不高，可以選擇電阻上拉選項(xiàng)。
4. 保護(hù)功能設(shè)置：根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景，合理設(shè)置各種保護(hù)功能的閾值和延遲時(shí)間，以確保系統(tǒng)在各種故障情況下都能安全可靠地運(yùn)行。

五、總結(jié)

NCP1345準(zhǔn)諧振反激控制器以其豐富的功能、卓越的性能和可靠的保護(hù)機(jī)制，為高性能離線USB - PD和USB Type - C電源轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)優(yōu)秀的解決方案。通過深入了解其特性、工作模式和應(yīng)用注意事項(xiàng)，電子工程師可以更好地利用這款控制器，設(shè)計(jì)出更加高效、穩(wěn)定的電源系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中，我們還需要不斷地進(jìn)行測試和優(yōu)化，以確保系統(tǒng)在各種條件下都能達(dá)到最佳性能。你在使用類似控制器的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。