详解NCP1945：集成PFC与QR功能的高性能控制器

在电子设备的电源设计领域，高效、稳定且具备多种保护功能的控制器至关重要。今天我们就来详细探讨安森美（onsemi）推出的NCP1945，这是一款集成了功率因数校正（PFC）和准谐振反激（QR）功能的组合式IC，专为高性能离线USB - PD和USB Type - C电源转换器设计。

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一、NCP1945概述

NCP1945高度集成，适用于需要宽输出电压范围、高功率密度和低待机功率的离线USB - PD和LED照明应用。它具备一系列全面的特性，可实现高密度、性能优化和强大的保护功能。

1. 高压（HV）启动电路

NCP1945的高压启动电路能在应用上电时为VCC电容充电。应用开始切换后，辅助绕组为VCC供电，高压启动电路进入高阻抗状态，降低了HV输入的功耗，有助于实现极低的待机和空载功耗，满足节能标准。同时，该电路还能进行线电压感应，提供内部欠压/过压（BIBO）保护、高低线检测和线路移除检测功能。BIBO保护确保输入电压高于指定值时应用才运行；高低线检测可调整NCP1945的某些操作参数，优化不同线电压下的性能；线路移除检测则用于实现输入X2电容的放电功能，保证在移除交流线路时，X2电容能在规定时间内安全放电。

2. 双VCC管理

USB - PD和许多LED驱动应用要求在宽输出电压范围内工作，这对自偏置的控制器是个挑战。NCP1945通过两个VCC引脚（VCCL和VCCH）解决了这个问题，分别能承受高达30V和150V的电压。VCCH和VCCL之间的线性稳压器使NCP1945能通过堆叠辅助绕组偏置，满足设计的宽输出工作范围需求。

3. 反激准谐振和谷底锁定操作

准谐振（QR）模式下，功率开关在漏源电压最低时开启，能有效降低开启损耗。NCP1945采用谷底过渡方案，在负载降低时将开启过渡推至后续谷底，并利用谷底锁定技术防止在不同谷底间跳跃，确保在重到中等负载下，QR与谷底锁定操作能维持多达6个谷底。

4. 快速频率折返（RFF）

当负载降低到一定程度，NCP1945在第6个谷底后增加死区时间，降低开关频率，满足轻载和空载功耗标准。RFF方案通过强制增加驱动脉冲终止所需的最小峰值电流，加速死区时间和开关频率的降低，直到进入跳周期模式或开关频率达到25kHz的最低水平。

5. 最小峰值电流调制（MPCM）

MPCM是RFF算法用于加速开关频率降低的技术。在RFF期间，随着开关频率降低，最小峰值电流逐渐减小，避免过快进入跳周期模式。同时，MPCM利用QR ZCD引脚（QZCD）的估计输出电压信息限制绝对最小峰值电流设定点，确保在不同输出电压范围内跳周期模式的进入负载水平一致。

6. 功率偏移模式（PEM）

NCP1945的功率偏移模式允许QR反激在短时间内以关断时间控制的连续导通模式（CCM）运行，使应用能够应对瞬态峰值功率负载，无需更大的变压器，还能减小PFC输出大容量电容的尺寸，提高功率密度。

7. 可编程恒流过载保护

NCP1945采用一种新颖的电流限制技术，利用QZCD处测量的去磁时间产生与应用负载电流成比例的内部电压，并与QCCLIM引脚编程的阈值进行比较。当阈值被超过时，过载定时器启动，这种技术能产生与应用输出电压无关的过载电流限制。

8. 过功率保护（OPP）

NCP1945的过功率保护可补偿PWM比较器和QILIM比较器传播延迟导致的线路相关过冲。补偿电路的增益可在应用上电时通过QZCD引脚编程。OPP功能利用PFB引脚感应QR反激的输入电压，并在比较器输入处施加电压偏移，以减轻传播延迟的影响，使QFB电压能准确代表变压器峰值电流，实现更精确的恒流过载保护、PFC开关检测和逐周期电流限制。

9. 频率抖动

为降低应用的电磁干扰（EMI），NCP1945在QR反激PWM比较器的CS信号输入中添加低频三角电压，调制反激中的逐周期能量传输，减少能量峰值在窄频带内的集中。

10. PFC开关检测

PONOFF功能根据QR反激输出功率启用PFC电路。它利用专有控制电路，根据QZCD引脚的感应电压和恒流保护测量的负载电流估计QR反激的输出功率。估计的功率信号从PONOFF引脚输出，可通过编程电阻选择启用PFC的功率水平。

11. 谷底同步频率折返

NCP1945的PFC通常在临界导通模式（CrM）下运行，直到功率降至阈值以下，此时PFC阶段进入不连续导通模式（DCM），并随着负载进一步下降延长死区时间（频率折返）。这种技术在CrM和DCM中都能实现稳定的谷底开启，提高效率。同时，最小频率钳位（通常为33kHz）可防止产生可听频率，并且通过调制导通时间确保在CrM和DCM操作中功率因数接近1。

12. 升压跟随器操作

PFC误差放大器可通过与线路相关的参考电压编程，在高线路电压下运行时增加参考电压，使PFC作为两级升压跟随器运行，提高不同线路电压下的平均效率。

13. 总谐波失真（THD）性能增强器

部分器件选项中的PTHD引脚用于编程PFC开关的导通时间扩展，该扩展与瞬时线路电压成反比。在交流零交叉附近增加导通时间，可减少零交叉失真。

二、详细操作说明

1. 高压（HV）启动电路

NCP1945的HV引脚集成了高压启动调节器、线路范围检测器、欠压检测和线路移除检测功能。为确保这些功能正常工作，HV引脚必须通过二极管“或”配置直接连接到交流线路。启动时，HV引脚的启动调节器通过恒流源为VCCL电容充电，当VCCL达到启动阈值时，恒流源关闭。若输入电压不足，VCCL下降，恒流源会再次开启充电，直到输入电压满足启动条件。

2. 启动和VCC管理

启动时，HV启动调节器的恒流源为VCCL电容充电。当VCCL达到启动阈值（通常为17.0V）时，恒流源关闭。若输入电压不足，VCCL下降到关闭阈值（通常为9V）时，恒流源再次开启。当VCCL高于抑制阈值（通常为0.7V）时，启动电路电流Istart2通常为3.75mA；低于抑制阈值时，电流降至Istart1，通常为0.5mA，以防止VCCL短路时NCP1945热损坏。

3. 双范围VCC管理

对于典型的USB - PD 3.0适配器设计，输出电压范围宽，NCP1945的双范围VCC架构通过VCCL和VCCH两个引脚解决了偏置电压范围的问题。当输出电压较低时，VCCH引脚通过上层辅助绕组为控制器偏置；当输出电压较高时，下层辅助绕组接管偏置。内部线性稳压器将VCCH电压调节到VCCL的约10V，确保设备在不同输出电压下正常工作。

4. 线路电压范围检测器

NCP1945根据HV引脚测量的峰值电压检测输入电压范围，选择PFC阶段的增益和参考电压。默认上电模式为高线模式，当HV电压低于低线阈值时，启动空白定时器，定时器到期后切换到低线模式。在低线模式下，经过看门狗定时器后，若HV峰值电压超过高线过渡阈值，可切换回高线模式。线路过渡阈值滞后和看门狗定时器可防止设备在两个线路范围之间振荡。

5. 欠压/过压（BIBO）检测器

BIBO检测器通过HV引脚电压提供欠压/过压检测，防止输入电压低于预定阈值时应用运行。当HV电压超过启动阈值（通常为112V）且VCCL达到启动阈值时，NCP1945启动QR反激驱动脉冲。若HV电压低于停止阈值（通常为98V），启动70ms定时器，定时器到期后宣布欠压故障并禁用驱动脉冲。

6. 输入滤波电容放电

NCP1945可检测交流输入电压的存在，并在检测到交流输入断开时对EMI线路滤波电容进行放电。通过斜率检测电路和有源放电电路，当输入信号斜率低于最小值时启动定时器，定时器到期后确认线路移除，禁用控制器并启动HV放电周期。

7. QR反激操作和功能

反馈接口

NCP1945的QR反馈接口采用电阻上拉网络，QFB引脚通过20k上拉电阻连接到5V电源。内部QFB引脚电压按KQFB（通常为3或4）比例分压，分别用于跳周期和谷底选择比较器以及PWM比较器。

导通时间控制

NCP1945在QR反激阶段采用峰值电流模式控制，QFB电压设置变压器和MOSFET中的峰值电流。通过在电阻上感应MOSFET电流，并将电压斜坡应用到PWM比较器的非反相输入，当电流感应电压斜坡超过阈值时，输出驱动器关闭。在软启动阶段，峰值电流水平被钳位，同时设置最小峰值水平VQCS(MIN)，提高轻载效率。

关断时间控制

在准谐振反激中，功率开关的关断由反馈环路设置的峰值电流决定，开启由变压器去磁检测决定。通过监测变压器辅助绕组电压检测去磁，当QZCD引脚电压低于去磁阈值时检测到谷底。NCP1945采用谷底锁定（VLO）电路消除谷底跳跃，确保在输出功率变化显著之前锁定在选定的谷底。

轻载管理

当输出负载降低时，NCP1945通过频率折返和快速频率折返（RFF）降低开关频率。进入频率折返模式后，在第6个谷底后增加死区时间，死区时间随QFB电压降低而增加。同时，峰值电流设定点随QFB电压降低而线性减小，降低跳周期进入功率水平。此外，电路还设置了最小频率钳位（通常为25kHz），当开关周期过长时，强制开启新的开关周期。当QFB电压低于跳周期水平时，电路开始跳脉冲，高于跳周期退出水平时恢复运行。

过功率保护

HV引脚感应交流线路输入电压的峰值，并内部缩放用于OPP。QZCD引脚有三个功能：检测变压器去磁、通过外部电阻Ropp设置OPP增益、在驱动关断时间内感应输出电压。

栅极驱动

NCP1945在频率折返期间采用弱栅极驱动技术，降低QDRV的源电流，减少二次电压尖峰。同时，集成了专门为氮化镓（GaN）晶体管优化的低压栅极驱动器，提供6.5V的调节输出，可直接驱动GaN器件，降低成本并提高高频设计的效率。

功率偏移模式（PEM）

当功率需求超过最大功率限制时，NCP1945线性增加开关频率，使QR阶段进入CCM。PEM模式下，开关频率可增加至2.5倍，峰值电流阈值增加50%，可实现2倍的典型最大功率输出。通过测量和存储QR模式下的关断时间，在PEM模式下作为最大关断时间钳位，实现功率提升。

恒流过载

NCP1945采用特殊的自动调谐输出电流限制电路，监测反馈电压、变压器去磁时间和用户编程的电流限制设置，生成内部参考反馈电压。当QFB引脚电压超过VQFB(OVLD)时，检测到过载条件，启动过载定时器。若过载条件持续160ms，设备关闭两个驱动器并进入自动恢复模式，2秒后尝试自动恢复。

8. PFC操作和功能

频率控制

NCP1945采用谷底同步频率折返（VSFF）技术，PFC阶段在临界导通模式（CrM）下运行，直到功率降至频率折返阈值以下，进入不连续导通模式（DCM）并增加死区时间。通过调节VPCTRL选择操作模式和调整死区时间，进入和退出DCM有100mV的滞后，防止不稳定切换。同时，内部最小频率逻辑将开关频率限制在可听频率以上。

导通时间调制

在CrM/DCM PFC升压阶段，电感电流在FET导通时从零开始上升，在导通时间结束时开始去磁。NCP1945通过导通时间调制确保输入电流与输入电压成比例，在DCM和CRM中都能实现无功率因数下降和功率传输无间断。

反馈调节

NCP1945的跨导误差放大器（OTA）以PFB引脚为反相输入，输出连接到PCTRL。PCTRL控制导通时间、VSFF中的死区时间、跳周期模式和静态过压保护。在不同线路电压下，PFC可作为两级升压跟随器运行，优化效率和成本。

反馈瞬态控制

NCP1945具备多种保护和增强功能，如动态响应增强器（DRE）、软/快速过压保护（SOVP、FOVP）和欠压保护（UVP）。DRE在PFB电压下降到低于参考电压112mV时启动，加速补偿网络充电；SOVP和FOVP在不同过压情况下触发，调节开关以保护设备；UVP在PFB引脚开路时禁用DRV开关。

电流感应和零交叉检测

NCP1945监测PFC开关的电流，当VPCS达到过流阈值（500mV）时关闭FET，有400ns的消隐时间防止开关噪声误触发。设置更高的阈值（750mV）检测过应力情况，检测到过应力时停止生成DRV脉冲800μs。PZCD引脚用于零电流和谷底检测，确保电感电流降为零后才开启MOSFET，并在不连续模式下在谷底开启以减少损耗和噪声。

Ponoff

Ponoff引脚允许用户根据QR输出功率编程PFC的启用/禁用阈值。通过计算输出电流和功率参考，与3V阈值比较来决定PFC的开关。在QR反激以CRM模式运行时，该方法有效；若启用PEM模式，PEM定时器决定PFC的启动。PFC禁用阈值设置有15%的滞后，防止PFC在正常运行中出现振荡。

THD增强器

NCP1945的THD增强器用于改善系统的总谐波失真。在DRV开启时，电感电流为负，可能导致输入电流失真。THD增强器通过增加PFC FET的导通时间来补偿负电流，额外时间与输入电压成反比。通过PZD引脚生成输入电压的图像VSNS，用于提供线路电压信息给THD增强器。

三、故障管理

NCP1945包含多种故障检测和保护功能，故障分为锁存故障和可恢复（非锁存）故障。锁存故障会禁用控制器，需通过设备复位清除锁存才能重启应用；可恢复故障通常是逐周期保护，偶尔发生不会严重影响应用，若持续存在可能导致设备关闭，恢复方式基于定时器或事件。

1. 专用故障引脚

NCP1945的专用故障引脚可通过将引脚电压拉高于上故障阈值（通常为3.2V）或低于下故障阈值（通常为0.4V）来锁定控制器。上故障阈值用于检测过压故障，下故障阈值用于检测过温故障。故障输入信号经过滤波，防止噪声触发故障检测器。

2. 故障处理矩阵

详细的故障处理矩阵列出了各种故障的设置、复位条件和控制器动作，包括BO故障、VCC UVLO、故障OTP、故障OVP、TSD、Vout OVP、PFC UVP、PFC Soft OVP、PFC Fast OVP、PFC过流、PFC过应力、QR过流、QR恒流限制、QR过载和QR异常过流等故障。

四、总结

NCP1945是一款功能强大的电源控制器，集成了PFC和QR功能，具备多种先进的特性和保护功能，能满足高性能离线USB - PD和USB Type - C电源转换器的设计需求。在实际应用中，电子工程师可以根据具体的设计要求，充分利用NCP1945的各项功能，实现高效、稳定且可靠的电源设计。你在使用NCP1945进行设计时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。