深入解析NCP1118x：集成式离线开关电源的理想选择

在电子工程师的日常工作中，设计高效、可靠且成本效益高的离线开关电源（SMPS）是一项关键任务。安森美半导体（onsemi）的NCP1118x系列产品，包括NCP11184、NCP11185和NCP11187，为这一挑战提供了出色的解决方案。本文将深入探讨NCP1118x的特性、功能以及设计要点，帮助工程师更好地理解和应用这一系列产品。

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产品概述

NCP1118x集成了采用mWSaver技术的峰值电流模式PWM控制器和一个坚固的800V超结（SJ）MOSFET，特别适用于反激式转换器。mWSaver技术在轻载条件下降低开关频率和控制器的工作电流，有助于避免声学噪声问题，并满足国际节能标准，如能源之星（Energy Star）。

特性亮点

1. 集成800V超结MOSFET：提供高耐压能力，适用于离线应用。
2. 内置高压启动、软启动和斜坡补偿：确保电源平稳启动，减少浪涌电流和输出电压过冲。
3. mWSaver技术：实现业界一流的待机功耗，提高能源效率。
4. 开关频率可选：提供65/100/130kHz三种频率选项，满足不同应用需求。
5. 异步频率跳变技术：降低电磁干扰（EMI），提高电源的电磁兼容性。
6. 可编程恒定输出功率限制：在整个输入电压范围内保持稳定的输出功率。
7. 多种保护功能：包括反馈引脚开环保护、电流感测电阻短路保护、欠压保护和过压保护等，确保电源的可靠性和安全性。

引脚配置与功能

NCP1118x采用PDIP - 7封装，各引脚功能如下：

1. CS（引脚1）：通过电阻感测漏极电流，用于峰值电流模式控制和逐周期电流限制。
2. VIN（引脚2）：检测线路输入电压，用于带滞后的欠压保护和恒定输出功率限制。建议并联低通滤波器以抑制高频噪声和大容量电容上的线路纹波。
3. GND（引脚3）：控制器的接地引脚。
4. FB（引脚4）：控制补偿引脚，通过比较该引脚信号和CS引脚感测的漏极信号来确定PWM占空比。通常连接光耦合器和电容。
5. VCC（引脚5）：内部电路的电源引脚。
6. DRAIN（引脚6、7）：连接内部高压启动电路和集成MOSFET的漏极，通常直接连接到变压器的一个端子。

工作原理与功能描述

启动与软启动

在启动时，连接到DRAIN引脚的内部高压（HV）启动电路为内部电路提供恒定的启动电流，同时对外部电容(C{VCC})充电。当(VCC)低于(V{CC - SSC})时，启动充电电流为(I{START1})，以避免(VCC)短路到地时损坏NCP1118x。当(VCC)超过(V{CC - SSC})时，启动充电电流变为(I_{START2})，实现快速启动。

当(VCC)达到(V{CC - ON})后，HV启动电路停用，NCP1118x开始软启动，逐步增加MOSFET的漏极电流，以最小化浪涌电流和减少输出电压过冲。在此期间，NCP1118x仅由(C{VCC})供电，直到主变压器的辅助绕组提供足够的工作电流。

PWM控制操作

NCP1118x采用峰值电流模式脉冲宽度调制（PWM）控制方法来调节输出电压。通过光耦合器和并联稳压器组成的反馈网络控制反馈电压(V_{FB})。感测电阻连接到CS引脚，用于检测集成MOSFET导通时的漏极电流。

将反馈电压(V{FB})通过内部放大器衰减后与感测的漏极电流(V{CS})进行比较，当(V_{CS})达到衰减后的电压时，PWM比较器立即向MOSFET发送关断信号，从而控制开关占空比。

频率跳变

振荡器内置的异步频率跳变功能在开关频率中产生一致的抖动，防止开关噪声集中在其开关频率频段，将噪声分布以减轻准峰值噪声。频率以(t{HOP})为周期，幅度为(2f{M})进行变化。

斜坡补偿

斜坡补偿用于防止次谐波振荡并提高稳定性。当PWM信号的脉冲宽度超过(t{D - SE})（约为开关频率(f{OSC})占空比的40%）时，生成一个锯齿波信号并添加到(V_{CS})上。该信号与内部反馈信号进行比较，确定PWM导通时间。

恒定过功率限制

为了在整个输入电压范围内实现恒定输出功率限制，峰值电流限制阈值水平(V{LIMIT})由VIN引脚的电压(V{IN})控制。随着(V{IN})的增加，(V{LIMIT})降低，从而自动限制最大输出功率。

绿色模式和突发模式操作

为了提高效率并降低功耗，专有绿色模式功能在负载减小时降低开关频率，并在轻载条件下强制PWM操作停止。开关频率取决于(V{FB})，当(V{FB})低于(V{FB - SG})时，开关频率从绿色模式启动频率(f{OSC - SG})急剧下降到绿色模式结束频率(f{OSC - EG})。当(V{FB})低于突发模式启动水平(V_{FB - BURL})时，PWM控制器停止工作，进入突发模式操作。在突发模式下，大部分内部电路被禁用，从而大幅降低内部工作电流消耗，提高待机功耗指标。

保护功能

NCP1118x具备多种保护功能，确保电源在各种异常情况下的安全性和可靠性：

1. VCC过压保护（(V_{CC - OVP})）：当(VCC)超过过压保护电压(V{CC - OVP})并持续一段时间后，PWM立即禁用。该保护在自动重启模式下，只有当(VCC)低于(V{CC - AR})时才能复位。
2. FB开环保护（OLP）：当输出电压低于调节电压或FB引脚开路时，FB电压(V{FB})达到(V{FB - OLP})，触发OLP保护，PWM操作立即停止。当(VCC)低于(V_{CC - OFF})时，该保护可以复位。
3. 异常过流保护（AOCP）：当二次侧整流二极管或变压器短路导致过大的漏极电流时，AOCP停止PWM开关，以防止NCP1118x损坏。它具有消隐时间(t{ON - AOCP})和去抖计数(N{AOCP})，以防止在正常操作中因主MOSFET导通瞬间的前沿电流过早触发AOCP。
4. 电流感测短路保护（CSSP）：当CS引脚因焊接缺陷或灰尘短路到GND引脚时，无法正确感测漏极电流，导致过大的漏极电流，可能损坏开关。如果PWM导通时间超过(t{ON - CSSP})且(V{CS})小于(V{CS - CSSP})，CSSP电路将认为CS引脚短路，立即关闭PWM开关。如果这种状态连续持续(N{CSSP})次，则PWM开关操作永久停止，直到拔掉输入电压才能复位。
5. 欠压/线路过压保护（线路OVP）：通过VIN引脚检测线路输入电压，实现欠压和线路过压保护。当感测到的(V{IN})高于(V{IN - ON})且(VCC)高于(V{CC - ON})时，NCP1118x启动并工作。当(V{IN})低于(V{IN - OFF})持续一段时间(t{D - VINOFF})时，触发欠压保护，PWM开关停止。当(V{IN})高于(V{IN - OVP})且PWM开关次数超过线路OVP去抖计数(N{VINOVP})时，触发线路过压保护，PWM开关停止。当(V{IN})降低(V{IN - OVPHYS})且(VCC)高于(V{CC - ON})时，该保护可以释放，NCP1118x可以软启动重启。
6. 热关断（TSD）：通过检测温度限制NCP1118x的总功耗。当结温(T{J})超过(T{SD})时，开关立即关闭。当(T{J})降低到(T{TSD - HYS})以下时，开关可以恢复工作。在TSD状态下，HV启动电路反复开和关。

PCB布局建议

良好的PCB布局对于降低电磁干扰（EMI）和提高电源的可靠性至关重要。以下是一些PCB设计建议：

1. 减小高频电流回路面积：将桥式整流器的输出尽可能靠近大容量电容，以减小高频电流回路的面积，降低传导和辐射噪声。保持走线短、直且宽。
2. 隔离高压走线：将与MOSFET漏极和RCD缓冲器相关的高压走线远离控制电路，以防止噪声干扰影响控制部分的低电压信号路径。
3. 合理接地：控制电路的接地应先连接，然后再连接到其他电路。将(C{VCC})尽可能靠近NCP1118x的VCC引脚，以实现良好的去耦。建议使用几个微法的电容和100nF的陶瓷电容进行高频噪声去耦。CVIN引脚和(C{FB})引脚的电容也应尽可能靠近VIN和FB引脚。
4. 考虑静电放电（ESD）：设计PCB时，应考虑静电放电的影响，如放置控制电路部件、EMI滤波器和Y电容。如果需要在初级和次级之间连接Y电容，应将其连接到大容量电容的正极端子。如果Y电容连接到初级GND，应直接连接到大容量电容的负极端子（GND）。Y电容的尖端放电有助于ESD防护，但根据安全要求，两个尖端之间的爬电距离应至少为5mm。
5. 热考虑：功率MOSFET在开关操作期间会产生热量。如果芯片温度超过TSD，热关断将被触发，NCP1118x停止工作以保护自身免受损坏。建议尽可能增加连接到DRAIN引脚的铜面积，以降低热阻。

设计示例

以45W隔离反激式转换器为例，使用NCP11187A65。该设计的主要参数如下：	项目	参数
输入电压	85 - 265Vac
输出规格	12V/3.5A & 16V/0.2A
效率	> 88% @ 满载
待机功耗	< 50mW @ 230Vac
封装温度	90°C @ (T_{A}=50°C)
工作温度	0 - 50°C
冷却方式	开放式自然对流
电路板尺寸	145 x 60 x 30mm

总结

NCP1118x系列产品为离线开关电源设计提供了集成化、高效、可靠的解决方案。其丰富的特性和保护功能，以及灵活的开关频率选项，使其适用于各种工业辅助电源、电子计量SMPS、白色家电应用和消费电子产品。在设计过程中，工程师应充分考虑PCB布局和热管理等因素，以确保电源的性能和可靠性。你在使用NCP1118x进行设计时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。