深入解析onsemi NCP1060与NCP1063：高效离线SMPS的理想之选

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开关模式电源（SMPS）是一项常见且具有挑战性的任务。onsemi的NCP1060和NCP1063系列产品，为低功耗离线SMPS设计提供了出色的解决方案。下面，我们将深入探讨这两款产品的特性、应用以及设计要点。

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产品概述

NCP106X系列产品将固定频率电流模式控制器与700V MOSFET集成在一起，有PDIP - 7、SOIC - 10或SOIC - 16等多种封装形式。这种高度集成的设计，使得它具备了软启动、频率抖动、短路保护、跳周期、可调峰值电流设定点、斜坡补偿以及动态自供电等功能，无需辅助绕组，大大简化了电路设计。

与其他单片解决方案不同，NCP106X天生安静。在标称负载运行时，它以60kHz或100kHz（按需可达130kHz）的频率进行开关操作。当输出功率需求降低时，IC会自动进入频率折返模式，在轻负载下提供出色的效率；当功率需求进一步降低时，它会进入跳周期模式，将待机功耗降低至空载状态。

产品特性

内置700V MOSFET

NCP1060的 (R{DS (on) }) 为34Ω，NCP1063的 (R{DS (on) }) 为11.4Ω，且高压引脚之间具有较大的爬电距离，确保了产品的安全性和可靠性。

固定频率电流模式操作

支持60kHz或100kHz的固定频率，还可按需达到130kHz，满足不同应用的需求。

可调峰值电流

通过外部设置，可以灵活调整峰值电流，适应不同的功率需求。

固定斜坡补偿

确保在高占空比下的稳定运行，提高了系统的稳定性。

直接反馈连接

适用于非隔离式转换器，简化了反馈电路的设计。

内部和可调过功率保护（OPP）电路

有效保护电路免受过载损坏，提高了系统的可靠性。

跳周期操作

仅在低峰值电流时进行跳周期操作，降低了轻负载下的功耗。

动态自供电

无需辅助绕组，降低了成本和设计复杂度。

内部4ms软启动

确保启动过程平稳，减少输出过冲。

自动恢复输出短路保护

通过基于定时器的检测，在短路故障发生时自动恢复，提高了系统的容错能力。

自动恢复过压保护

结合辅助绕组操作，有效防止过压损坏。

频率抖动

改善电磁干扰（EMI）特性，减少对其他设备的干扰。

低空载输入功耗

空载输入功耗小于50mW，满足节能要求。

频率折返

提高轻负载下的效率，优化系统性能。

环保设计

产品无铅且符合RoHS标准，符合环保要求。

典型应用

NCP106X适用于多种应用场景，包括辅助/备用隔离和非隔离电源、功率计SMPS以及宽输入电压低功率工业SMPS等。

引脚功能与电气特性

引脚功能

NCP106X的各个引脚具有不同的功能，如GND为IC接地引脚，VCC为内部电路供电引脚，LIM/OPP用于设置峰值电流和过功率限制，FB为反馈信号输入引脚，Comp用于补偿等。详细的引脚功能描述可参考数据表中的表格。

电气特性

数据表中提供了丰富的电气特性参数，包括电源部分和VCC管理、功率开关电路、内部启动电流源、电流比较器、内部振荡器、误差放大器部分、补偿部分、频率折返与跳周期、斜坡补偿以及保护等方面的参数。这些参数为工程师进行电路设计和性能评估提供了重要依据。

应用信息

启动序列

当电源首次从市电插座供电时，内部电流源（典型值为8.0mA）对VCC电容进行充电。当VCC电容电压达到 (V{CC(on)}) （典型值为9.0V）时，电流源关闭，输出级开始输出脉冲，激活功率MOSFET。在启动过程中，VCC电容电压会下降，当低于 (V{CC(min )}) （典型值为7.5V）时，内部电流源再次激活，将VCC电压提升至 (V_{CC(on)}) ，形成一个循环。

故障情况处理

VCC短路

在某些故障情况下，VCC和GND之间可能会发生短路。为避免这种情况下的过热问题，控制器采用了两级启动电流源 (I{start 1}) 和 (I{start2 }) 。在电源启动时，当VCC低于1.4V时，电流源提供 (I{start2 }) （典型值约为500μA）；当VCC达到1.4V时，电流源平滑过渡到 (I{start1}) ，提供标称值。这样可以有效降低短路时的功耗。

输出短路

当VCC达到 (V{CC(on)}) 时，驱动脉冲内部启用。如果输出电压未调节，COMP引脚电流低于 (I{COMPfault }) （典型值为40μA），内部错误标志 (I{pflag }) 会被触发，启动故障计数器 (tsCP) （典型值为48ms）。如果计数器完成时 (I{pflag }) 仍然存在，所有驱动脉冲将停止，器件进入 (t_{recovery}) （约400ms）的关闭状态。之后会尝试重新启动，如果故障仍然存在，将进入安全突发模式。

自动恢复过压保护

当光耦故障导致输出电压失控时，NCP106X的内部比较器会监测VCC引脚。如果辅助绕组提供的电压过高，控制器会停止内部驱动器，进入自动恢复过压保护模式。在 (t{recovery}) 延迟后，会尝试重新启动。为保护IC免受高压尖峰的损坏，建议在辅助直流电平与VCC引脚之间插入一个电阻 (R{limit }) 。

其他特性

软启动

NCP106X具有4ms的软启动功能，可减少上电应力，降低输出过冲。其独特的专利结构提供了更好的软启动斜坡，几乎忽略了传统电流模式电源固有的启动基座。

抖动

频率抖动是一种通过在主开关组件附近分散能量来软化EMI特性的方法。NCP106X提供标称开关频率±6%的偏差，内部生成的扫描锯齿波以300Hz的固定频率对时钟进行上下调制，且无法外部禁用抖动。

线路检测（仅A版本）

内部比较器会在从短路保护、VCC过压保护确认、欠压锁定（UVLO）或热关断（TSD）等情况恢复时监测漏极电压。如果漏极电压低于内部阈值VHV(EN)（典型值为87Vdc），内部功率开关将被禁用，避免在过低的交流输入下运行。

频率折返

当COMP电流超过一定水平 (I{COMPfold }) （约68μA）时，振荡器进入频率折返模式，降低开关频率。内部峰值电流设定点会跟随COMP电流信息，直到达到 (IFreeze) ，此时峰值电流设定点将冻结为IPK(0)的30%。当COMP电流达到 (I{COMPfold(end)}) （典型值为100μA）时，开关频率降至 (F_{min }) （典型值为25kHz）。如果输出功率继续降低，器件将进入跳周期模式，以实现空载条件下的无噪声性能。

反馈和跳周期

COMP引脚在 (|I{COMP}|) 大于40μA时线性工作，动态电阻典型值为17.7kΩ，有效上拉电压典型值为2.7V。当 (I{COMP}) 减小时，COMP电压会升高至3.2V。当COMP电流达到 (I_{COMPskip }) 时，内部时钟设置的触发器将被屏蔽，控制器的内部功耗降低，同时内部跳周期比较器的滞后最小化，以降低辅助电压和电源输出的纹波。

Ilimit和OPP功能

从LIM/OPP引脚流出的电流定义了电流设定点。通过利用辅助二极管阳极上的负电压摆动，可以实现过功率保护（OPP）。在功率开关导通期间，辅助绕组上的负电压与输入电压相关，通过电阻 (R{OPPU}) 和 (R{OPPL}) 定义从LIM/OPP引脚流出的电流，从而根据输入电压调整峰值电流。

斜坡补偿和Ipk设定点

为了使NCP106X能够在占空比超过50%的连续导通模式（CCM）下运行，内部对电流模式控制应用了固定斜率补偿。不同版本的开关器具有不同的斜坡补偿和初始、最终电流设定点。

FB引脚功能

FB引脚仅用于非隔离式SMPS应用。输出电压的一部分连接到该引脚，与内部VREF（3.3V）进行比较。运算跨导放大器（OTA）的输出连接到COMP引脚，用于环路补偿。如果FB路径环路断开，内部电流 (I_{FB}) （典型值为1μA）会拉高FB引脚，使IC停止开关，避免输出电压失控。在隔离拓扑中，FB引脚应连接到GND引脚，此时OTA无影响。

设计步骤

确定参数

假设输入电压范围为 (V{in } min =90) Vac（整流后为127Vdc）， (V{in } max =265) Vac（375Vdc），输出电压 (V{out }=12) V，输出功率 (P{out }=5) W，工作模式为CCM，效率 (eta=0.8) 。

选择匝数比

为确保横向MOSFET体二极管在启动和正常运行时不被正向偏置，选择匝数比N应满足 (N cdotleft(V{out }+V{f}right)

安装保护网络

由于横向MOSFET的体二极管掺杂不良，需要安装传统的RCD钳位网络或简单的电容来保护MOSFET。在低功率应用中，简单电容也可使用。计算最大漏极电压 (V{drain, max }=V{in }+N cdotleft(V{out }+V{f}right)+I{peak } cdot sqrt{frac{L{f}}{C_{tot }}}) ，并选择合适的保护电路参数。

计算最大占空比

对于CCM模式下的反激转换器，最大占空比 (d{max } =frac{N cdotleft(V{out } cdot V{f}right)}{N cdotleft(V{out } cdot V{f}right)+V{in, min }} = 0.44) 。

计算初级电感

根据公式 (L=frac{left(V{in } cdot dright)^{2}}{f{sw } cdot K cdot P{in }}) 计算初级电感，其中 (K=frac{Delta l{L}}{I{Lavg }}) 定义了CCM中的纹波量。选择 (K = 1) （50%纹波），可得电感 (L = 10.04mH) ，并计算出纹波电流 (Delta I{L}=92.8mA) ，峰值电流 (I{peak }=158mA) ，平均电流 (I{Lavg }=111.6mA) 。

计算损耗

计算传导损耗 (P{cond }=I{d, rms }^{2} cdot R{DS( on )}=110mW) ，以及关断和导通开关损耗 (P{off }=15.5mW) ， (P{on }=2.1mW) ，理论总功率为 (117 + 15.5 + 2.1 = 127.6mW) 。如果NCP106X工作在DSS模式，还需考虑DSS模式引起的损耗 (DSS =I{CC 1} cdot V_{in,max }=300mW) 。

MOSFET保护

在反激设计中，限制漏极电压在安全范围内至关重要。可采用简单电容、RCD网络或齐纳二极管/瞬态抑制二极管（TVS）等方法进行保护。简单电容适用于低功率应用；RCD网络是最常用的方法，但依赖于峰值电流；齐纳二极管/TVS提供了最高的保护程度，但成本较高。建议在最严格的工作条件下（高输入电压和峰值功率）确保漏极引脚电压不超过650V。

功率耗散和散热

NCP106X的功率耗散主要来自DSS电流源和MOSFET。为了有效散热，PCB设计应预留较大的铜面积。以PDIP - 7封装为例，当周围有大约 (200mm^{2}) 的35μm铜面积时，在环境温度为50°C、最大结温为150°C的情况下，器件可散热约870mW。

总结

onsemi的NCP1060和NCP1063系列产品为低功耗离线SMPS设计提供了全面、高效且可靠的解决方案。通过深入了解其特性、应用和设计要点，电子工程师可以充分发挥这些产品的优势，设计出性能卓越的开关模式电源。在实际应用中，还需根据具体需求进行合理的参数选择和电路设计，以确保系统的稳定性和可靠性。你在使用NCP106X系列产品时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。

以上就是关于NCP1060和NCP1063的详细介绍，希望对电子工程师们在设计低功耗离线SMPS时有所帮助。