深入解析NCP1345：高性能準諧振反激控制器的卓越之選

在電子工程師的設(shè)計世界里，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，憑借其獨特的特性和強大的功能，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。

文件下載：onsemi NCP1345準諧振反激式控制器.pdf

一、NCP1345概述

NCP1345是一款高度集成的準諧振反激控制器，適用于設(shè)計高性能離線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，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）啟動與供電電路

NCP1345集成了高壓啟動電路和欠壓檢測功能。在啟動過程中，當VCC達到啟動閾值（典型值17.0V）時，控制器開始工作；當VCC低于關(guān)閉閾值（典型值9.0V）時，控制器停止工作。啟動電流在不同階段會根據(jù)VCC的電壓進行調(diào)整，以實現(xiàn)高效啟動和低功耗。例如，當VCC低于抑制閾值時，啟動電流會降低到典型值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200V。當輸出電壓較低時，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；當輸出電壓升高時，內(nèi)部穩(wěn)壓器會確保VCCL保持在10V。這種設(shè)計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)動能力

DRV引腳具有高電流驅(qū)動能力（- 0.5/+0.8A），能夠有效地驅(qū)動高柵極電荷功率MOSFET。同時，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的安全可靠運行。

（四）反饋接口

NCP1345提供了兩種反饋接口選項。

1. 電阻上拉選項：這是默認選項，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，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，以穩(wěn)定開關(guān)電源的控制環(huán)路。

（五）保護功能

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

1. 欠壓保護：當HV引腳電壓低于欠壓閾值（典型值99V）時，定時器啟動。如果在定時器超時（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引腳電壓進行數(shù)字采樣和斜率監(jiān)測來檢測線路移除。當檢測到線路移除時，啟動HV放電周期，確保輸入濾波電容安全放電。
3. 過壓保護（OVP）：當Fault引腳電壓超過過壓閾值（典型值3.0V）時，控制器鎖存；當VCC超過VCC(OVP)（典型值36.5V）時，柵極驅(qū)動禁用，控制器進入鎖存故障模式。
4. 過溫保護（OTP）：通過NTC熱敏電阻檢測溫度，當熱敏電阻電壓低于過溫閾值（典型值0.4V）時，控制器檢測到故障。不同選項下，控制器的響應(yīng)方式不同，有的會鎖存，有的會在故障移除且滿足一定條件后自動恢復(fù)。
5. 過功率保護（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補償水平和感測輸出電壓。
6. 過載保護：過載定時器對過載故障的持續(xù)時間進行積分，當定時器超時（典型值160ms）時，控制器檢測到過載條件，可能會鎖存或進入安全的低占空比自動恢復(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采用了特殊的自動調(diào)諧輸出電流限制電路。通過準確感測去磁時間的開始和結(jié)束點，結(jié)合相關(guān)公式計算輸出電流，并進行反饋控制，以保持恒定的輸出電流限制。
8. 異常過流保護（AOCP）：在一些嚴重故障條件下，如繞組短路，開關(guān)電流可能會迅速增加。NCP1345通過增加一個額外的比較器來檢測異常過流故障，當連續(xù)檢測到四個異常過流故障時，控制器進入鎖存模式。
9. 電流檢測引腳故障保護：當CS引腳開路時，1μA（典型值）的上拉電流源會將CS引腳拉高，禁用控制器；當CS引腳短路到地時，最大導(dǎo)通時間（典型值32μs）可防止MOSFET永久導(dǎo)通。
10. 輸出短路保護：在輸出短路時，由于控制器的谷底超時功能，磁芯可能會飽和。但NCP1345在ZCD引腳電壓高于觸發(fā)閾值時會禁用超時定時器，直到去磁完成后才會產(chǎn)生下一個驅(qū)動脈沖，從而保護了初級MOSFET和次級二極管。

三、工作模式詳解

（一）準諧振（QR）工作模式

NCP1345是一款準諧振反激控制器，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反激控制器在負載變化時出現(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，每個谷底選擇比較器都具有600mV的遲滯，有助于穩(wěn)定運行。

（三）頻率折返（FF）模式

當輸出負載降低，F(xiàn)B電壓下降到一定程度時，控制器進入頻率折返模式。在該模式下，最小峰值電流設(shè)定點增加，開關(guān)頻率降低，以提高輕載效率。同時，為了減少進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入閾值，并通過1ms的定時器來防止工作點過渡時的振蕩。

（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），當開關(guān)周期過長時，會強制啟動新的開關(guān)周期。當FB電壓低于跳周期閾值時，電路開始跳脈沖；當FB電壓超過跳周期閾值加上遲滯電壓時，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)頻率進入可聽范圍，電路通過一個定時器（典型值1.25ms）來限制突發(fā)頻率的最大值為800Hz。在無負載情況下，該操作有助于提高效率。
3. 自動調(diào)諧跳周期模式：為了防止在低電壓輸出時出現(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)感測到的電壓自動調(diào)整跳周期閾值，為每個輸出電壓提供最佳的進入點。

四、典型應(yīng)用與注意事項

（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、啟動電路、VCC管理電路、反饋電路、驅(qū)動電路等部分。在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的設(shè)計要求選擇合適的元件參數(shù)，以確保控制器的性能和穩(wěn)定性。

（二）注意事項

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行二極管“或”操作，以防止引腳電壓低于地。同時，應(yīng)使用串聯(lián)電阻來保護引腳，在啟動時使用低阻值電阻（<5kΩ）以減少電壓偏移。
2. VCC電容選擇：CVCC的大小需要根據(jù)控制器啟動時輔助電源電壓的上升情況進行合理選擇，以確保在啟動過程中VCC電壓始終高于關(guān)閉閾值。同時，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。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。
4. 保護功能設(shè)置：根據(jù)實際應(yīng)用場景，合理設(shè)置各種保護功能的閾值和延遲時間，以確保系統(tǒng)在各種故障情況下都能安全可靠地運行。

五、總結(jié)

NCP1345準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機制，為高性能離線USB - PD和USB Type - C電源轉(zhuǎn)換器的設(shè)計提供了一個優(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，電子工程師可以更好地利用這款控制器，設(shè)計出更加高效、穩(wěn)定的電源系統(tǒng)。在實際應(yīng)用中，我們還需要不斷地進行測試和優(yōu)化，以確保系統(tǒng)在各種條件下都能達到最佳性能。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)驗和見解。