深入解析NCP1345：高性能准谐振反激控制器的卓越之选

在电子工程师的设计世界里，寻找一款性能卓越、功能丰富的控制器至关重要。onsemi的NCP1345准谐振反激控制器，专为高性能离线USB - PD和USB Type - C电源转换器设计，凭借其独特的特性和强大的功能，成为了众多工程师的理想之选。下面，我们就来全面深入地了解一下这款控制器。

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一、NCP1345概述

NCP1345是一款高度集成的准谐振反激控制器，适用于设计高性能离线USB - PD和USB Type - C电源转换器。它采用了双引脚VCC架构，可直接连接到辅助绕组，简化了VCC管理，减少了元件数量，提高了性能。同时，它还具备精确的初级侧输出电流限制电路，能确保恒定的输出电流限制，不受编程输出电压或铭牌输出功率的影响。
 

框图

典型应用电路

二、关键特性剖析

（一）启动与供电电路

NCP1345集成了高压启动电路和欠压检测功能。在启动过程中，当VCC达到启动阈值（典型值17.0V）时，控制器开始工作；当VCC低于关闭阈值（典型值9.0V）时，控制器停止工作。启动电流在不同阶段会根据VCC的电压进行调整，以实现高效启动和低功耗。例如，当VCC低于抑制阈值时，启动电流会降低到典型值0.5mA，以限制器件的功耗。

（二）双VCC管理

为了适应USB - PD 3.0适配器设计中输出电压的广泛变化（3.3V - 21V），NCP1345采用了双范围VCC架构。除了常规的VCCL引脚外，还增加了VCCH引脚，额定电压高达200V。当输出电压较低时，VCCH引脚从VCCH绕组接收约12.6V的电压，并通过内部稳压器将其传递给VCCL；当输出电压升高时，内部稳压器会确保VCCL保持在10V。这种设计有效地解决了在宽输出电压范围内为控制器提供稳定供电的问题。

（三）驱动能力

DRV引脚具有高电流驱动能力（- 0.5/+0.8A），能够有效地驱动高栅极电荷功率MOSFET。同时，DRV引脚还集成了有源电压钳位功能，将外部MOSFET的栅极电压限制在典型值12V，最大不超过14V，确保了MOSFET的安全可靠运行。

（四）反馈接口

NCP1345提供了两种反馈接口选项。

1. 电阻上拉选项：这是默认选项，采用电压控制架构。FB引脚通过上拉电阻连接到5V电源，默认上拉电阻值为20kΩ。通过内部4:1的电压分压器，将FB引脚的电压信号分别输入到跳周期和谷底比较器以及PWM比较器和电流限制比较器中。这种架构的闭环带宽通常在1 - 2kHz之间。
2. 共源共栅缓冲高带宽架构：采用电流控制架构，通过共源共栅缓冲器设置电压钳位（典型值2V），将传统的电压控制架构转换为电流控制架构。这种架构大大降低了光耦集电极所看到的有效阻抗，使开关电源能够实现更高的闭环带宽。同时，还可以通过在集电极和地之间连接电容来设置高频极点，以稳定开关电源的控制环路。

（五）保护功能

NCP1345具备多种保护功能，确保了系统的可靠性和稳定性。

1. 欠压保护：当HV引脚电压低于欠压阈值（典型值99V）时，定时器启动。如果在定时器超时（典型值54ms）之前HV引脚电压仍未超过阈值，控制器将停止工作，进入非锁存故障模式。
2. 线路移除和输入滤波电容放电电路：该功能集成了有源输入滤波电容放电电路，通过对HV引脚电压进行数字采样和斜率监测来检测线路移除。当检测到线路移除时，启动HV放电周期，确保输入滤波电容安全放电。
3. 过压保护（OVP）：当Fault引脚电压超过过压阈值（典型值3.0V）时，控制器锁存；当VCC超过VCC(OVP)（典型值36.5V）时，栅极驱动禁用，控制器进入锁存故障模式。
4. 过温保护（OTP）：通过NTC热敏电阻检测温度，当热敏电阻电压低于过温阈值（典型值0.4V）时，控制器检测到故障。不同选项下，控制器的响应方式不同，有的会锁存，有的会在故障移除且满足一定条件后自动恢复。
5. 过功率保护（OPP）：通过HV引脚感测交流线路输入电压的峰值，并将其内部缩放后用于OPP。ZCD引脚不仅用于检测变压器的去磁，还用于设置OPP补偿水平和感测输出电压。
6. 过载保护：过载定时器对过载故障的持续时间进行积分，当定时器超时（典型值160ms）时，控制器检测到过载条件，可能会锁存或进入安全的低占空比自动恢复模式。
7. 输出电流限制：为了满足一些法规对输出电流和功率的限制要求，NCP1345采用了特殊的自动调谐输出电流限制电路。通过准确感测去磁时间的开始和结束点，结合相关公式计算输出电流，并进行反馈控制，以保持恒定的输出电流限制。
8. 异常过流保护（AOCP）：在一些严重故障条件下，如绕组短路，开关电流可能会迅速增加。NCP1345通过增加一个额外的比较器来检测异常过流故障，当连续检测到四个异常过流故障时，控制器进入锁存模式。
9. 电流检测引脚故障保护：当CS引脚开路时，1μA（典型值）的上拉电流源会将CS引脚拉高，禁用控制器；当CS引脚短路到地时，最大导通时间（典型值32μs）可防止MOSFET永久导通。
10. 输出短路保护：在输出短路时，由于控制器的谷底超时功能，磁芯可能会饱和。但NCP1345在ZCD引脚电压高于触发阈值时会禁用超时定时器，直到去磁完成后才会产生下一个驱动脉冲，从而保护了初级MOSFET和次级二极管。

三、工作模式详解

（一）准谐振（QR）工作模式

NCP1345是一款准谐振反激控制器，通过监测变压器辅助绕组电压来检测变压器的去磁情况。当变压器去磁完成后，电源开关在漏极电压的谷底开启，从而降低了开关损耗和电磁干扰（EMI）。

（二）谷底锁定（VLO）操作

为了避免传统QR反激控制器在负载变化时出现谷底跳跃和不稳定现象，NCP1345采用了专利的谷底锁定（VLO）电路。一旦选择了一个谷底，控制器将锁定在该谷底，直到输出功率发生显著变化。不同的FB电压对应不同的谷底选择阈值，每个谷底选择比较器都具有600mV的迟滞，有助于稳定运行。

（三）频率折返（FF）模式

当输出负载降低，FB电压下降到一定程度时，控制器进入频率折返模式。在该模式下，最小峰值电流设定点增加，开关频率降低，以提高轻载效率。同时，为了减少进入和退出频率折返模式的迟滞，设置了退出阈值略低于进入阈值，并通过1ms的定时器来防止工作点过渡时的振荡。

（四）轻载管理模式

1. 最小频率钳位和跳周期模式：电路防止开关频率低于最小频率（典型值25kHz），当开关周期过长时，会强制启动新的开关周期。当FB电压低于跳周期阈值时，电路开始跳脉冲；当FB电压超过跳周期阈值加上迟滞电压时，恢复正常工作。
2. 安静跳周期模式：为了避免跳周期模式下的突发频率进入可听范围，电路通过一个定时器（典型值1.25ms）来限制突发频率的最大值为800Hz。在无负载情况下，该操作有助于提高效率。
3. 自动调谐跳周期模式：为了防止在低电压输出时出现过大的输出纹波，NCP1345通过ZCD引脚在去磁阶段感测输出电压，并根据感测到的电压自动调整跳周期阈值，为每个输出电压提供最佳的进入点。

四、典型应用与注意事项

（一）典型应用电路

NCP1345的典型应用电路如图所示，包括高压输入连接、启动电路、VCC管理电路、反馈电路、驱动电路等部分。在实际应用中，需要根据具体的设计要求选择合适的元件参数，以确保控制器的性能和稳定性。

（二）注意事项

1. HV引脚连接：HV引脚必须直接连接到交流线路，并且在连接前需要对线路和中性线进行二极管“或”操作，以防止引脚电压低于地。同时，应使用串联电阻来保护引脚，在启动时使用低阻值电阻（<5kΩ）以减少电压偏移。
2. VCC电容选择：CVCC的大小需要根据控制器启动时辅助电源电压的上升情况进行合理选择，以确保在启动过程中VCC电压始终高于关闭阈值。同时，需要考虑控制器启用后总ICC电流（ICC3加上ΔICC）的影响。
3. 反馈接口选择：根据具体的应用需求选择合适的反馈接口选项。如果需要较高的闭环带宽，可以选择共源共栅缓冲高带宽架构；如果对带宽要求不高，可以选择电阻上拉选项。
4. 保护功能设置：根据实际应用场景，合理设置各种保护功能的阈值和延迟时间，以确保系统在各种故障情况下都能安全可靠地运行。

五、总结

NCP1345准谐振反激控制器以其丰富的功能、卓越的性能和可靠的保护机制，为高性能离线USB - PD和USB Type - C电源转换器的设计提供了一个优秀的解决方案。通过深入了解其特性、工作模式和应用注意事项，电子工程师可以更好地利用这款控制器，设计出更加高效、稳定的电源系统。在实际应用中，我们还需要不断地进行测试和优化，以确保系统在各种条件下都能达到最佳性能。你在使用类似控制器的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。