深入解析NCP1118x：集成式離線開關電源的理想選擇

在電子工程師的日常工作中，設計高效、可靠且成本效益高的離線開關電源（SMPS）是一項關鍵任務。安森美半導體（onsemi）的NCP1118x系列產(chǎn)品，包括NCP11184、NCP11185和NCP11187，為這一挑戰(zhàn)提供了出色的解決方案。本文將深入探討NCP1118x的特性、功能以及設計要點，幫助工程師更好地理解和應用這一系列產(chǎn)品。

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產(chǎn)品概述

NCP1118x集成了采用mWSaver技術的峰值電流模式PWM控制器和一個堅固的800V超結(jié)（SJ）MOSFET，特別適用于反激式轉(zhuǎn)換器。mWSaver技術在輕載條件下降低開關頻率和控制器的工作電流，有助于避免聲學噪聲問題，并滿足國際節(jié)能標準，如能源之星（Energy Star）。

特性亮點

1. 集成800V超結(jié)MOSFET：提供高耐壓能力，適用于離線應用。
2. 內(nèi)置高壓啟動、軟啟動和斜坡補償：確保電源平穩(wěn)啟動，減少浪涌電流和輸出電壓過沖。
3. mWSaver技術：實現(xiàn)業(yè)界一流的待機功耗，提高能源效率。
4. 開關頻率可選：提供65/100/130kHz三種頻率選項，滿足不同應用需求。
5. 異步頻率跳變技術：降低電磁干擾（EMI），提高電源的電磁兼容性。
6. 可編程恒定輸出功率限制：在整個輸入電壓范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的輸出功率。
7. 多種保護功能：包括反饋引腳開環(huán)保護、電流感測電阻短路保護、欠壓保護和過壓保護等，確保電源的可靠性和安全性。

引腳配置與功能

NCP1118x采用PDIP - 7封裝，各引腳功能如下：

1. CS（引腳1）：通過電阻感測漏極電流，用于峰值電流模式控制和逐周期電流限制。
2. VIN（引腳2）：檢測線路輸入電壓，用于帶滯后的欠壓保護和恒定輸出功率限制。建議并聯(lián)低通濾波器以抑制高頻噪聲和大容量電容上的線路紋波。
3. GND（引腳3）：控制器的接地引腳。
4. FB（引腳4）：控制補償引腳，通過比較該引腳信號和CS引腳感測的漏極信號來確定PWM占空比。通常連接光耦合器和電容。
5. VCC（引腳5）：內(nèi)部電路的電源引腳。
6. DRAIN（引腳6、7）：連接內(nèi)部高壓啟動電路和集成MOSFET的漏極，通常直接連接到變壓器的一個端子。

工作原理與功能描述

啟動與軟啟動

在啟動時，連接到DRAIN引腳的內(nèi)部高壓（HV）啟動電路為內(nèi)部電路提供恒定的啟動電流，同時對外部電容(C{VCC})充電。當(VCC)低于(V{CC - SSC})時，啟動充電電流為(I{START1})，以避免(VCC)短路到地時損壞NCP1118x。當(VCC)超過(V{CC - SSC})時，啟動充電電流變?yōu)?I_{START2})，實現(xiàn)快速啟動。

當(VCC)達到(V{CC - ON})后，HV啟動電路停用，NCP1118x開始軟啟動，逐步增加MOSFET的漏極電流，以最小化浪涌電流和減少輸出電壓過沖。在此期間，NCP1118x僅由(C{VCC})供電，直到主變壓器的輔助繞組提供足夠的工作電流。

PWM控制操作

NCP1118x采用峰值電流模式脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制方法來調(diào)節(jié)輸出電壓。通過光耦合器和并聯(lián)穩(wěn)壓器組成的反饋網(wǎng)絡控制反饋電壓(V_{FB})。感測電阻連接到CS引腳，用于檢測集成MOSFET導通時的漏極電流。

將反饋電壓(V{FB})通過內(nèi)部放大器衰減后與感測的漏極電流(V{CS})進行比較，當(V_{CS})達到衰減后的電壓時，PWM比較器立即向MOSFET發(fā)送關斷信號，從而控制開關占空比。

頻率跳變

振蕩器內(nèi)置的異步頻率跳變功能在開關頻率中產(chǎn)生一致的抖動，防止開關噪聲集中在其開關頻率頻段，將噪聲分布以減輕準峰值噪聲。頻率以(t{HOP})為周期，幅度為(2f{M})進行變化。

斜坡補償

斜坡補償用于防止次諧波振蕩并提高穩(wěn)定性。當PWM信號的脈沖寬度超過(t{D - SE})（約為開關頻率(f{OSC})占空比的40%）時，生成一個鋸齒波信號并添加到(V_{CS})上。該信號與內(nèi)部反饋信號進行比較，確定PWM導通時間。

恒定過功率限制

為了在整個輸入電壓范圍內(nèi)實現(xiàn)恒定輸出功率限制，峰值電流限制閾值水平(V{LIMIT})由VIN引腳的電壓(V{IN})控制。隨著(V{IN})的增加，(V{LIMIT})降低，從而自動限制最大輸出功率。

綠色模式和突發(fā)模式操作

為了提高效率并降低功耗，專有綠色模式功能在負載減小時降低開關頻率，并在輕載條件下強制PWM操作停止。開關頻率取決于(V{FB})，當(V{FB})低于(V{FB - SG})時，開關頻率從綠色模式啟動頻率(f{OSC - SG})急劇下降到綠色模式結(jié)束頻率(f{OSC - EG})。當(V{FB})低于突發(fā)模式啟動水平(V_{FB - BURL})時，PWM控制器停止工作，進入突發(fā)模式操作。在突發(fā)模式下，大部分內(nèi)部電路被禁用，從而大幅降低內(nèi)部工作電流消耗，提高待機功耗指標。

保護功能

NCP1118x具備多種保護功能，確保電源在各種異常情況下的安全性和可靠性：

1. VCC過壓保護（(V_{CC - OVP})）：當(VCC)超過過壓保護電壓(V{CC - OVP})并持續(xù)一段時間后，PWM立即禁用。該保護在自動重啟模式下，只有當(VCC)低于(V{CC - AR})時才能復位。
2. FB開環(huán)保護（OLP）：當輸出電壓低于調(diào)節(jié)電壓或FB引腳開路時，F(xiàn)B電壓(V{FB})達到(V{FB - OLP})，觸發(fā)OLP保護，PWM操作立即停止。當(VCC)低于(V_{CC - OFF})時，該保護可以復位。
3. 異常過流保護（AOCP）：當二次側(cè)整流二極管或變壓器短路導致過大的漏極電流時，AOCP停止PWM開關，以防止NCP1118x損壞。它具有消隱時間(t{ON - AOCP})和去抖計數(shù)(N{AOCP})，以防止在正常操作中因主MOSFET導通瞬間的前沿電流過早觸發(fā)AOCP。
4. 電流感測短路保護（CSSP）：當CS引腳因焊接缺陷或灰塵短路到GND引腳時，無法正確感測漏極電流，導致過大的漏極電流，可能損壞開關。如果PWM導通時間超過(t{ON - CSSP})且(V{CS})小于(V{CS - CSSP})，CSSP電路將認為CS引腳短路，立即關閉PWM開關。如果這種狀態(tài)連續(xù)持續(xù)(N{CSSP})次，則PWM開關操作永久停止，直到拔掉輸入電壓才能復位。
5. 欠壓/線路過壓保護（線路OVP）：通過VIN引腳檢測線路輸入電壓，實現(xiàn)欠壓和線路過壓保護。當感測到的(V{IN})高于(V{IN - ON})且(VCC)高于(V{CC - ON})時，NCP1118x啟動并工作。當(V{IN})低于(V{IN - OFF})持續(xù)一段時間(t{D - VINOFF})時，觸發(fā)欠壓保護，PWM開關停止。當(V{IN})高于(V{IN - OVP})且PWM開關次數(shù)超過線路OVP去抖計數(shù)(N{VINOVP})時，觸發(fā)線路過壓保護，PWM開關停止。當(V{IN})降低(V{IN - OVPHYS})且(VCC)高于(V{CC - ON})時，該保護可以釋放，NCP1118x可以軟啟動重啟。
6. 熱關斷（TSD）：通過檢測溫度限制NCP1118x的總功耗。當結(jié)溫(T{J})超過(T{SD})時，開關立即關閉。當(T{J})降低到(T{TSD - HYS})以下時，開關可以恢復工作。在TSD狀態(tài)下，HV啟動電路反復開和關。

PCB布局建議

良好的PCB布局對于降低電磁干擾（EMI）和提高電源的可靠性至關重要。以下是一些PCB設計建議：

1. 減小高頻電流回路面積：將橋式整流器的輸出盡可能靠近大容量電容，以減小高頻電流回路的面積，降低傳導和輻射噪聲。保持走線短、直且寬。
2. 隔離高壓走線：將與MOSFET漏極和RCD緩沖器相關的高壓走線遠離控制電路，以防止噪聲干擾影響控制部分的低電壓信號路徑。
3. 合理接地：控制電路的接地應先連接，然后再連接到其他電路。將(C{VCC})盡可能靠近NCP1118x的VCC引腳，以實現(xiàn)良好的去耦。建議使用幾個微法的電容和100nF的陶瓷電容進行高頻噪聲去耦。CVIN引腳和(C{FB})引腳的電容也應盡可能靠近VIN和FB引腳。
4. 考慮靜電放電（ESD）：設計PCB時，應考慮靜電放電的影響，如放置控制電路部件、EMI濾波器和Y電容。如果需要在初級和次級之間連接Y電容，應將其連接到大容量電容的正極端子。如果Y電容連接到初級GND，應直接連接到大容量電容的負極端子（GND）。Y電容的尖端放電有助于ESD防護，但根據(jù)安全要求，兩個尖端之間的爬電距離應至少為5mm。
5. 熱考慮：功率MOSFET在開關操作期間會產(chǎn)生熱量。如果芯片溫度超過TSD，熱關斷將被觸發(fā)，NCP1118x停止工作以保護自身免受損壞。建議盡可能增加連接到DRAIN引腳的銅面積，以降低熱阻。

設計示例

總結(jié)

NCP1118x系列產(chǎn)品為離線開關電源設計提供了集成化、高效、可靠的解決方案。其豐富的特性和保護功能，以及靈活的開關頻率選項，使其適用于各種工業(yè)輔助電源、電子計量SMPS、白色家電應用和消費電子產(chǎn)品。在設計過程中，工程師應充分考慮PCB布局和熱管理等因素，以確保電源的性能和可靠性。你在使用NCP1118x進行設計時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。