深入解析NCP1568：AC - DC有源钳位反激PWM控制器的卓越之选

在当今的电子设备中，高效、高密度的电源设计至关重要。onsemi的NCP1568作为一款高度集成的AC - DC PWM控制器，专为实现有源钳位反激拓扑而设计，在电源设计领域展现出了强大的竞争力。下面，我们就来深入了解一下这款控制器。

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产品概述

NCP1568采用电流模式架构实现有源钳位反激转换器，主开关关断事件由峰值电流决定。它适用于高频高密度适配器、开放式框架电源等多种应用场景，集成了先进的控制和电源管理技术以及多模式操作，以满足严格的监管要求。同时，它还具备非耗散过功率保护（OPP）、欠压保护以及在ACF和DCM模式下的频率调制功能，可在整个功率范围内实现优化效率。

关键特性

1. 拓扑与控制方案

   • 有源钳位反激拓扑助力零电压开关（ZVS）：采用专有算法，能使超结或氮化镓（GaN）FET在不同线路、负载和输出条件下实现ZVS，提高开关频率和功率密度，同时降低开关损耗。
   • 专有多模式操作提升轻载效率：根据负载情况自动切换模式，如从ACF模式过渡到不连续传导模式（DCM），在轻载时显著提高效率。
   • 专有自适应ZVS实现高频操作并降低电磁干扰（EMI）：通过自适应调整，在高频操作时减少EMI，简化EMI滤波器设计。
   • 内置主和有源钳位FET的自适应死区时间：优化开关时序，提高效率。
   • 峰值电流模式控制与内置斜坡补偿：提供多种选项，简化环路补偿，提高系统稳定性。

2. 灵活的控制方案与可编程性：支持使用外部硅或GaN FET进行配置，满足不同设计需求。

3. DCM和轻载操作

   • 客户可编程的向DCM的可选过渡：根据实际应用灵活调整。
   • 集成频率折返功能：在待机模式下具有最小频率钳位，消除可听噪声，实现高性能。

4. 超低待机功耗：待机功耗小于 30 mW，符合节能要求。

5. 集成高压和启动电路

   • 700 V启动电路：无需外部启动元件，降低成本。
   • 交流线路欠压检测：确保系统在不稳定电源条件下的可靠运行。

6. 强大的驱动器

   • 低侧 0.85 A/1.5 A 源/灌电流：可直接驱动高电容开关。
   • 65 mA/150 mA 有源钳位驱动器输出：驱动有源钳位FET。

7. 可编程振荡器：频率范围从 100 kHz 到 1 MHz，内部软启动定时器有 4 种选项。

8. 全面的保护功能

   • 专用 FLT 引脚与热敏电阻兼容：检测过温故障。
   • 可调过功率保护（OPP）：保护系统免受过载损坏。
   • 多种故障下的自动恢复和锁存选项：提高系统的稳定性和可靠性。
   • 内部热关断：防止芯片过热。

引脚功能详解

NCP1568采用TSSOP - 16封装，各引脚功能如下：

1. HV 引脚：高压启动电路输入，同时用于欠压检测、交流线路存在检测和过功率保护。
2. FLT 引脚：故障输入引脚，当引脚电压超出故障阈值时，控制器进入故障模式。该引脚主要用于检测过温（OTP）和过压（OVP）故障，通过外部热敏电阻或齐纳二极管等元件实现相应保护。
3. RT 引脚：通过连接到地的电阻设置内部振荡器的最小频率，计算公式为 (F_{OSC }=frac{1}{RT cdot 100 pF})。
4. DTH 引脚：通过连接到地的电阻设置ACF到DCM的过渡阈值，在软启动完成且强制ACF时间结束后开始起作用。
5. FB 引脚：反馈输入引脚，直接连接到光耦，通过上拉电流源和电阻调节系统输出电压。
6. CS 引脚：电流检测输入引脚，通过连接在功率FET源极和地之间的电阻提供初级电流信息，用于脉冲宽度调制（PWM）信号生成、逐周期峰值电流限制控制和短路保护。
7. GND 引脚：接地参考引脚。
8. LDRV 引脚：低侧驱动输出引脚，输出被钳位到 12 V，可直接驱动高电容开关。
9. VCC 引脚：电源输入引脚，启动时由内部高压电流对VCC电容充电，功率级启用后由辅助绕组供电。
10. ADRV 引脚：有源钳位驱动引脚，输出 5 V 逻辑电平信号，用于驱动有源钳位FET。
11. ATH 引脚：设置DCM到ACF的过渡阈值，通过固定电流和电阻产生模拟电压，量化后与反馈电压比较。
12. SW 引脚：连接到SW节点，用于自适应死区时间控制和基于ZVS的频率调制。

工作模式分析

1. 有源钳位模式（ACF）

   • 可变频率操作：为了在ACF操作中最小化功率损耗，随着负载和输入电压的变化，振荡器频率会自动调整，以保持负磁化电流相对恒定，实现ZVS。
   • 自适应死区时间控制：内置自适应死区时间控制电路，根据开关节点（SW）的电压变化，优化高侧和低侧FET的开关时序，提高效率。

2. 不连续传导模式（DCM）

   • 频率折返功能：当FB电压低于设定阈值时，频率会逐渐降低，直到达到最小频率钳位（31 kHz），此时进入跳过模式，减少轻载时的开关损耗。
   • DCM到ACF的过渡：满足过渡条件后，ADRV采用前沿调制（LEM）软启动，将钳位电容中的能量缓慢释放到输出。

3. 跳过模式：当FB电压低于跳过阈值时，电路开始跳过脉冲，以降低轻载时的功耗；当FB电压超过跳过阈值加上迟滞电压时，恢复正常操作。

保护功能机制

1. 过温保护（OTP）：通过FLT引脚连接外部热敏电阻检测温度，当温度升高导致热敏电阻电压下降到阈值以下时，控制器根据编程设置进行锁存或重启操作。
2. 过压保护（OVP）：通过FLT引脚连接齐纳二极管和电阻检测辅助绕组电压，当电压超过阈值时，控制器采取相应保护措施。
3. 过功率保护（OPP）：通过限制初级侧电感峰值电流，控制隔离式电源转换器的最大输出功率，并提供内部线路OPP补偿，以适应不同线路电压条件。
4. 电流限制保护
   • 逐周期电流限制（CBC）：使用OCP比较器，当CS电压超过阈值时，终止低侧驱动脉冲，计数器根据触发情况进行计数，达到设定值后采取相应反应。
   • 短路保护（SCP）：使用SCP比较器，当CS电压超过阈值且经过一定消隐时间后，终止驱动脉冲，计数器跟踪SCP事件次数，达到设定值后进行锁存或重启。
5. 热关断保护：内部热关断电路监测控制器结温，当温度超过阈值时，控制器进入非锁存故障模式，直到温度下降到阈值以下加上迟滞温度。

应用案例与设计建议

应用场景

NCP1568适用于多种应用，如USB电源传输、笔记本电脑适配器、高密度充电器和工业电源等。这些应用对电源的效率、功率密度和可靠性有较高要求，NCP1568的特性正好满足这些需求。

设计建议

1. HV引脚设计：HV引脚连接到线路和中性线，通过两个二极管实现全波整流。为了限制引脚短路或浪涌时的电流，可串联一个低阻值电阻，但电阻值不应超过3 kΩ，以免影响欠压和线路检测电路的功能。同时，HV引脚到地的电容不应大于22 pF，防止误判线路移除。
2. VCC电容选择：VCC电容的大小应考虑启动延迟时间、软启动时间以及在此期间提供的所有电流。计算公式为 [C{V C C{-} M I N}=frac{left(T{Delay(Start) }right) cdotleft(I{C C 1 A}+I{D R V O}right)+left(T{Soft } start 1+T_{MODESAM1 }right) cdotleft(I{C C 3}+I{DRV }+I{C C (gate charge) }right)}{V{CCON }-V{CCOFF }}]，计算出的电容值应增加20%以考虑电容公差，还可根据工作温度范围进一步调整。
3. 电流检测电路设计：CS引脚通过电阻检测初级主FET的电流，为了防止噪声干扰，可在CS引脚附近放置一个小的RC滤波器（通常为20 pF和732 Ω），并使用内部前沿消隐（LEB）电路抑制不必要的噪声。

   总结

   NCP1568作为一款功能强大的AC - DC有源钳位反激PWM控制器，凭借其先进的拓扑结构、灵活的控制方案、高效的多模式操作以及全面的保护功能，为电源设计工程师提供了一个优秀的解决方案。在实际设计中，工程师需要根据具体应用需求，合理选择引脚配置和外部元件参数，以充分发挥NCP1568的性能优势，实现高效、可靠的电源设计。你在使用NCP1568或其他电源控制器的过程中，遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。