深入解析onsemi NCP1060與NCP1063：高效離線SMPS的理想之選

在電子工程師的日常工作中，設(shè)計(jì)高效、可靠且成本效益高的開(kāi)關(guān)模式電源（SMPS）是一項(xiàng)常見(jiàn)且具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。onsemi的NCP1060和NCP1063系列產(chǎn)品，為低功耗離線SMPS設(shè)計(jì)提供了出色的解決方案。下面，我們將深入探討這兩款產(chǎn)品的特性、應(yīng)用以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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產(chǎn)品概述

NCP106X系列產(chǎn)品將固定頻率電流模式控制器與700V MOSFET集成在一起，有PDIP - 7、SOIC - 10或SOIC - 16等多種封裝形式。這種高度集成的設(shè)計(jì)，使得它具備了軟啟動(dòng)、頻率抖動(dòng)、短路保護(hù)、跳周期、可調(diào)峰值電流設(shè)定點(diǎn)、斜坡補(bǔ)償以及動(dòng)態(tài)自供電等功能，無(wú)需輔助繞組，大大簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。

與其他單片解決方案不同，NCP106X天生安靜。在標(biāo)稱負(fù)載運(yùn)行時(shí)，它以60kHz或100kHz（按需可達(dá)130kHz）的頻率進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作。當(dāng)輸出功率需求降低時(shí)，IC會(huì)自動(dòng)進(jìn)入頻率折返模式，在輕負(fù)載下提供出色的效率；當(dāng)功率需求進(jìn)一步降低時(shí)，它會(huì)進(jìn)入跳周期模式，將待機(jī)功耗降低至空載狀態(tài)。

產(chǎn)品特性

內(nèi)置700V MOSFET

NCP1060的 (R{DS (on) }) 為34Ω，NCP1063的 (R{DS (on) }) 為11.4Ω，且高壓引腳之間具有較大的爬電距離，確保了產(chǎn)品的安全性和可靠性。

固定頻率電流模式操作

支持60kHz或100kHz的固定頻率，還可按需達(dá)到130kHz，滿足不同應(yīng)用的需求。

可調(diào)峰值電流

通過(guò)外部設(shè)置，可以靈活調(diào)整峰值電流，適應(yīng)不同的功率需求。

固定斜坡補(bǔ)償

確保在高占空比下的穩(wěn)定運(yùn)行，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

直接反饋連接

適用于非隔離式轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)化了反饋電路的設(shè)計(jì)。

內(nèi)部和可調(diào)過(guò)功率保護(hù)（OPP）電路

有效保護(hù)電路免受過(guò)載損壞，提高了系統(tǒng)的可靠性。

跳周期操作

僅在低峰值電流時(shí)進(jìn)行跳周期操作，降低了輕負(fù)載下的功耗。

動(dòng)態(tài)自供電

無(wú)需輔助繞組，降低了成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜度。

內(nèi)部4ms軟啟動(dòng)

確保啟動(dòng)過(guò)程平穩(wěn)，減少輸出過(guò)沖。

自動(dòng)恢復(fù)輸出短路保護(hù)

通過(guò)基于定時(shí)器的檢測(cè)，在短路故障發(fā)生時(shí)自動(dòng)恢復(fù)，提高了系統(tǒng)的容錯(cuò)能力。

自動(dòng)恢復(fù)過(guò)壓保護(hù)

結(jié)合輔助繞組操作，有效防止過(guò)壓損壞。

頻率抖動(dòng)

改善電磁干擾（EMI）特性，減少對(duì)其他設(shè)備的干擾。

低空載輸入功耗

空載輸入功耗小于50mW，滿足節(jié)能要求。

頻率折返

提高輕負(fù)載下的效率，優(yōu)化系統(tǒng)性能。

環(huán)保設(shè)計(jì)

產(chǎn)品無(wú)鉛且符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)，符合環(huán)保要求。

典型應(yīng)用

NCP106X適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景，包括輔助/備用隔離和非隔離電源、功率計(jì)SMPS以及寬輸入電壓低功率工業(yè)SMPS等。

引腳功能與電氣特性

引腳功能

NCP106X的各個(gè)引腳具有不同的功能，如GND為IC接地引腳，VCC為內(nèi)部電路供電引腳，LIM/OPP用于設(shè)置峰值電流和過(guò)功率限制，F(xiàn)B為反饋信號(hào)輸入引腳，Comp用于補(bǔ)償?shù)取Ｔ敿?xì)的引腳功能描述可參考數(shù)據(jù)表中的表格。

電氣特性

數(shù)據(jù)表中提供了豐富的電氣特性參數(shù)，包括電源部分和VCC管理、功率開(kāi)關(guān)電路、內(nèi)部啟動(dòng)電流源、電流比較器、內(nèi)部振蕩器、誤差放大器部分、補(bǔ)償部分、頻率折返與跳周期、斜坡補(bǔ)償以及保護(hù)等方面的參數(shù)。這些參數(shù)為工程師進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和性能評(píng)估提供了重要依據(jù)。

應(yīng)用信息

啟動(dòng)序列

當(dāng)電源首次從市電插座供電時(shí)，內(nèi)部電流源（典型值為8.0mA）對(duì)VCC電容進(jìn)行充電。當(dāng)VCC電容電壓達(dá)到 (V{CC(on)}) （典型值為9.0V）時(shí)，電流源關(guān)閉，輸出級(jí)開(kāi)始輸出脈沖，激活功率MOSFET。在啟動(dòng)過(guò)程中，VCC電容電壓會(huì)下降，當(dāng)?shù)陀?(V{CC(min )}) （典型值為7.5V）時(shí)，內(nèi)部電流源再次激活，將VCC電壓提升至 (V_{CC(on)}) ，形成一個(gè)循環(huán)。

故障情況處理

VCC短路

在某些故障情況下，VCC和GND之間可能會(huì)發(fā)生短路。為避免這種情況下的過(guò)熱問(wèn)題，控制器采用了兩級(jí)啟動(dòng)電流源 (I{start 1}) 和 (I{start2 }) 。在電源啟動(dòng)時(shí)，當(dāng)VCC低于1.4V時(shí)，電流源提供 (I{start2 }) （典型值約為500μA）；當(dāng)VCC達(dá)到1.4V時(shí)，電流源平滑過(guò)渡到 (I{start1}) ，提供標(biāo)稱值。這樣可以有效降低短路時(shí)的功耗。

輸出短路

當(dāng)VCC達(dá)到 (V{CC(on)}) 時(shí)，驅(qū)動(dòng)脈沖內(nèi)部啟用。如果輸出電壓未調(diào)節(jié)，COMP引腳電流低于 (I{COMPfault }) （典型值為40μA），內(nèi)部錯(cuò)誤標(biāo)志 (I{pflag }) 會(huì)被觸發(fā)，啟動(dòng)故障計(jì)數(shù)器 (tsCP) （典型值為48ms）。如果計(jì)數(shù)器完成時(shí) (I{pflag }) 仍然存在，所有驅(qū)動(dòng)脈沖將停止，器件進(jìn)入 (t_{recovery}) （約400ms）的關(guān)閉狀態(tài)。之后會(huì)嘗試重新啟動(dòng)，如果故障仍然存在，將進(jìn)入安全突發(fā)模式。

自動(dòng)恢復(fù)過(guò)壓保護(hù)

當(dāng)光耦故障導(dǎo)致輸出電壓失控時(shí)，NCP106X的內(nèi)部比較器會(huì)監(jiān)測(cè)VCC引腳。如果輔助繞組提供的電壓過(guò)高，控制器會(huì)停止內(nèi)部驅(qū)動(dòng)器，進(jìn)入自動(dòng)恢復(fù)過(guò)壓保護(hù)模式。在 (t{recovery}) 延遲后，會(huì)嘗試重新啟動(dòng)。為保護(hù)IC免受高壓尖峰的損壞，建議在輔助直流電平與VCC引腳之間插入一個(gè)電阻 (R{limit }) 。

其他特性

軟啟動(dòng)

NCP106X具有4ms的軟啟動(dòng)功能，可減少上電應(yīng)力，降低輸出過(guò)沖。其獨(dú)特的專利結(jié)構(gòu)提供了更好的軟啟動(dòng)斜坡，幾乎忽略了傳統(tǒng)電流模式電源固有的啟動(dòng)基座。

抖動(dòng)

頻率抖動(dòng)是一種通過(guò)在主開(kāi)關(guān)組件附近分散能量來(lái)軟化EMI特性的方法。NCP106X提供標(biāo)稱開(kāi)關(guān)頻率±6%的偏差，內(nèi)部生成的掃描鋸齒波以300Hz的固定頻率對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行上下調(diào)制，且無(wú)法外部禁用抖動(dòng)。

線路檢測(cè)（僅A版本）

內(nèi)部比較器會(huì)在從短路保護(hù)、VCC過(guò)壓保護(hù)確認(rèn)、欠壓鎖定（UVLO）或熱關(guān)斷（TSD）等情況恢復(fù)時(shí)監(jiān)測(cè)漏極電壓。如果漏極電壓低于內(nèi)部閾值VHV(EN)（典型值為87Vdc），內(nèi)部功率開(kāi)關(guān)將被禁用，避免在過(guò)低的交流輸入下運(yùn)行。

頻率折返

當(dāng)COMP電流超過(guò)一定水平 (I{COMPfold }) （約68μA）時(shí)，振蕩器進(jìn)入頻率折返模式，降低開(kāi)關(guān)頻率。內(nèi)部峰值電流設(shè)定點(diǎn)會(huì)跟隨COMP電流信息，直到達(dá)到 (IFreeze) ，此時(shí)峰值電流設(shè)定點(diǎn)將凍結(jié)為IPK(0)的30%。當(dāng)COMP電流達(dá)到 (I{COMPfold(end)}) （典型值為100μA）時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率降至 (F_{min }) （典型值為25kHz）。如果輸出功率繼續(xù)降低，器件將進(jìn)入跳周期模式，以實(shí)現(xiàn)空載條件下的無(wú)噪聲性能。

反饋和跳周期

COMP引腳在 (|I{COMP}|) 大于40μA時(shí)線性工作，動(dòng)態(tài)電阻典型值為17.7kΩ，有效上拉電壓典型值為2.7V。當(dāng) (I{COMP}) 減小時(shí)，COMP電壓會(huì)升高至3.2V。當(dāng)COMP電流達(dá)到 (I_{COMPskip }) 時(shí)，內(nèi)部時(shí)鐘設(shè)置的觸發(fā)器將被屏蔽，控制器的內(nèi)部功耗降低，同時(shí)內(nèi)部跳周期比較器的滯后最小化，以降低輔助電壓和電源輸出的紋波。

Ilimit和OPP功能

從LIM/OPP引腳流出的電流定義了電流設(shè)定點(diǎn)。通過(guò)利用輔助二極管陽(yáng)極上的負(fù)電壓擺動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)過(guò)功率保護(hù)（OPP）。在功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通期間，輔助繞組上的負(fù)電壓與輸入電壓相關(guān)，通過(guò)電阻 (R{OPPU}) 和 (R{OPPL}) 定義從LIM/OPP引腳流出的電流，從而根據(jù)輸入電壓調(diào)整峰值電流。

斜坡補(bǔ)償和Ipk設(shè)定點(diǎn)

為了使NCP106X能夠在占空比超過(guò)50%的連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）下運(yùn)行，內(nèi)部對(duì)電流模式控制應(yīng)用了固定斜率補(bǔ)償。不同版本的開(kāi)關(guān)器具有不同的斜坡補(bǔ)償和初始、最終電流設(shè)定點(diǎn)。

FB引腳功能

FB引腳僅用于非隔離式SMPS應(yīng)用。輸出電壓的一部分連接到該引腳，與內(nèi)部VREF（3.3V）進(jìn)行比較。運(yùn)算跨導(dǎo)放大器（OTA）的輸出連接到COMP引腳，用于環(huán)路補(bǔ)償。如果FB路徑環(huán)路斷開(kāi)，內(nèi)部電流 (I_{FB}) （典型值為1μA）會(huì)拉高FB引腳，使IC停止開(kāi)關(guān)，避免輸出電壓失控。在隔離拓?fù)渲校現(xiàn)B引腳應(yīng)連接到GND引腳，此時(shí)OTA無(wú)影響。

設(shè)計(jì)步驟

確定參數(shù)

假設(shè)輸入電壓范圍為 (V{in } min =90) Vac（整流后為127Vdc）， (V{in } max =265) Vac（375Vdc），輸出電壓 (V{out }=12) V，輸出功率 (P{out }=5) W，工作模式為CCM，效率 (eta=0.8) 。

選擇匝數(shù)比

為確保橫向MOSFET體二極管在啟動(dòng)和正常運(yùn)行時(shí)不被正向偏置，選擇匝數(shù)比N應(yīng)滿足 (N cdotleft(V{out }+V{f}right)

安裝保護(hù)網(wǎng)絡(luò)

由于橫向MOSFET的體二極管摻雜不良，需要安裝傳統(tǒng)的RCD鉗位網(wǎng)絡(luò)或簡(jiǎn)單的電容來(lái)保護(hù)MOSFET。在低功率應(yīng)用中，簡(jiǎn)單電容也可使用。計(jì)算最大漏極電壓 (V{drain, max }=V{in }+N cdotleft(V{out }+V{f}right)+I{peak } cdot sqrt{frac{L{f}}{C_{tot }}}) ，并選擇合適的保護(hù)電路參數(shù)。

計(jì)算最大占空比

對(duì)于CCM模式下的反激轉(zhuǎn)換器，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) 。

計(jì)算初級(jí)電感

根據(jù)公式 (L=frac{left(V{in } cdot dright)^{2}}{f{sw } cdot K cdot P{in }}) 計(jì)算初級(jí)電感，其中 (K=frac{Delta l{L}}{I{Lavg }}) 定義了CCM中的紋波量。選擇 (K = 1) （50%紋波），可得電感 (L = 10.04mH) ，并計(jì)算出紋波電流 (Delta I{L}=92.8mA) ，峰值電流 (I{peak }=158mA) ，平均電流 (I{Lavg }=111.6mA) 。

計(jì)算損耗

計(jì)算傳導(dǎo)損耗 (P{cond }=I{d, rms }^{2} cdot R{DS( on )}=110mW) ，以及關(guān)斷和導(dǎo)通開(kāi)關(guān)損耗 (P{off }=15.5mW) ， (P{on }=2.1mW) ，理論總功率為 (117 + 15.5 + 2.1 = 127.6mW) 。如果NCP106X工作在DSS模式，還需考慮DSS模式引起的損耗 (DSS =I{CC 1} cdot V_{in,max }=300mW) 。

MOSFET保護(hù)

在反激設(shè)計(jì)中，限制漏極電壓在安全范圍內(nèi)至關(guān)重要。可采用簡(jiǎn)單電容、RCD網(wǎng)絡(luò)或齊納二極管/瞬態(tài)抑制二極管（TVS）等方法進(jìn)行保護(hù)。簡(jiǎn)單電容適用于低功率應(yīng)用；RCD網(wǎng)絡(luò)是最常用的方法，但依賴于峰值電流；齊納二極管/TVS提供了最高的保護(hù)程度，但成本較高。建議在最嚴(yán)格的工作條件下（高輸入電壓和峰值功率）確保漏極引腳電壓不超過(guò)650V。

功率耗散和散熱

NCP106X的功率耗散主要來(lái)自DSS電流源和MOSFET。為了有效散熱，PCB設(shè)計(jì)應(yīng)預(yù)留較大的銅面積。以PDIP - 7封裝為例，當(dāng)周圍有大約 (200mm^{2}) 的35μm銅面積時(shí)，在環(huán)境溫度為50°C、最大結(jié)溫為150°C的情況下，器件可散熱約870mW。

總結(jié)

onsemi的NCP1060和NCP1063系列產(chǎn)品為低功耗離線SMPS設(shè)計(jì)提供了全面、高效且可靠的解決方案。通過(guò)深入了解其特性、應(yīng)用和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，電子工程師可以充分發(fā)揮這些產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)出性能卓越的開(kāi)關(guān)模式電源。在實(shí)際應(yīng)用中，還需根據(jù)具體需求進(jìn)行合理的參數(shù)選擇和電路設(shè)計(jì)，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。你在使用NCP106X系列產(chǎn)品時(shí)遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。

以上就是關(guān)于NCP1060和NCP1063的詳細(xì)介紹，希望對(duì)電子工程師們?cè)谠O(shè)計(jì)低功耗離線SMPS時(shí)有所幫助。