深入解析NCP1937：高效適配器電源控制的理想之選

在電子設(shè)備的電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域，追求高效、緊湊且穩(wěn)定的電源解決方案一直是工程師們的目標(biāo)。onsemi推出的NCP1937組合式芯片，集成了功率因數(shù)校正（PFC）和準(zhǔn)諧振反激功能，為適配器應(yīng)用提供了一個出色的解決方案。本文將深入剖析NCP1937的特性、工作原理及應(yīng)用要點(diǎn)。

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一、NCP1937概述

NCP1937是一款專為離線適配器應(yīng)用優(yōu)化的組合式臨界模式（CrM）功率因數(shù)校正（PFC）和準(zhǔn)諧振（QR）反激控制器。它集成了實(shí)現(xiàn)高效適配器所需的所有功能，尤其在無負(fù)載條件下能實(shí)現(xiàn)極低的輸入功率。通過集成有源輸入濾波電容放電電路，并在PFC禁用時斷開PFC反饋電阻分壓器，有效降低了待機(jī)輸入功率。

二、關(guān)鍵特性分析

（一）通用特性

1. 寬VCC范圍與過壓保護(hù)：VCC范圍從9V到30V，并內(nèi)置過壓保護(hù)，確保在不同電壓環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)行。
2. 高壓啟動與放電電路：集成高壓啟動電路和有源輸入濾波電容放電電路，減少了外部啟動組件的需求，降低了無負(fù)載功率，提高了系統(tǒng)效率。
3. 集成保護(hù)功能：包括高壓欠壓檢測器、故障輸入、內(nèi)部溫度關(guān)機(jī)等，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。
4. 功率節(jié)省模式：將電源電流消耗降低至70μA，適用于對輸入功率要求極低的應(yīng)用。

（二）PFC控制器特性

1. 臨界導(dǎo)通模式：采用恒定導(dǎo)通時間控制（電壓模式）和最大頻率鉗位，實(shí)現(xiàn)接近單位功率因數(shù)，同時有效控制頻率。
2. 精準(zhǔn)保護(hù)功能：具備精確的過壓保護(hù)、雙電平線路相關(guān)輸出電壓、快速線路/負(fù)載瞬態(tài)補(bǔ)償、升壓二極管短路保護(hù)等功能，確保PFC階段的穩(wěn)定運(yùn)行。
3. 可調(diào)節(jié)禁用閾值：可根據(jù)輸出功率調(diào)節(jié)PFC禁用閾值，優(yōu)化系統(tǒng)效率。

（三）QR反激控制器特性

1. 谷值開關(guān)操作：采用谷值鎖定電路，確保無噪聲的谷值開關(guān)操作，減少開關(guān)損耗和電磁干擾。
2. 頻率折返：具備最小頻率鉗位的頻率折返功能，在待機(jī)模式下實(shí)現(xiàn)高性能，消除可聽噪聲。
3. 過載保護(hù)：提供基于定時器的過載保護(hù)（鎖存或自動恢復(fù)選項(xiàng)）、可調(diào)節(jié)的過功率保護(hù)、繞組和輸出二極管短路保護(hù)等功能，保障系統(tǒng)安全。

三、詳細(xì)工作原理

（一）高壓啟動電路

NCP1937集成了兩個可通過HV_X2和BO_X2引腳訪問的高壓啟動電路，這些電路還用于輸入濾波電容放電。啟動調(diào)節(jié)器由一個恒流源組成，將電流從交流輸入端子輸送到VCC引腳的電源電容。當(dāng)VCC低于VCC(inhibit)時，啟動電流降低，當(dāng)VCC充電到啟動閾值VCC(on)時，啟動調(diào)節(jié)器禁用，控制器啟用。在功率節(jié)省模式下，啟動電路根據(jù)VCC電壓和相關(guān)引腳電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，以維持VCC在合適的范圍內(nèi)。

（二）線路電壓檢測

BO/X2引腳用于監(jiān)測交流線路電壓和檢測欠壓故障，同時提供輸入濾波電容放電功能。根據(jù)檢測到的輸入電壓范圍，內(nèi)部調(diào)整設(shè)備參數(shù)以優(yōu)化系統(tǒng)性能。當(dāng)VBO_X2高于欠壓閾值VBO(start)且VCC達(dá)到VCC(on)時，反激階段啟用。通過比較VBO_X2與內(nèi)部線路選擇閾值VBO(lineselect)，控制器可切換“高線路”和“低線路”模式。

（三）輸入濾波電容放電

為滿足安全標(biāo)準(zhǔn)要求，NCP1937集成了有源輸入濾波電容放電電路，在檢測到交流線路電壓消失時，通過啟動電路將輸入濾波電容的電荷轉(zhuǎn)移到VCC電容，實(shí)現(xiàn)放電功能，避免了使用外部放電電阻帶來的功率損耗。

（四）功率節(jié)省模式

NCP1937的功率節(jié)省模式（PSM）通過外部控制信號進(jìn)行控制，當(dāng)控制信號缺失時，設(shè)備進(jìn)入PSM，此時電源電流消耗低于70μA。通過PSTimer引腳的電流源對電容充電，當(dāng)電壓超過VPS_in時進(jìn)入PSM，低于VPS_out時退出PSM。在PSM模式下，啟動電路維持VCC在合適范圍，同時輸入濾波電容放電電路繼續(xù)工作。

（五）故障輸入

Fault引腳用于故障檢測，當(dāng)引腳電壓高于上故障閾值VFault(OVP)時，控制器鎖存；低于下故障閾值VFault(OTP_in)時，控制器禁用。下故障閾值通常用于檢測過熱故障，上故障閾值用于檢測過壓故障。故障輸入信號經(jīng)過濾波處理，避免噪聲觸發(fā)故障檢測。

（六）QR反激谷值鎖定

NCP1937的準(zhǔn)諧振反激控制器通過監(jiān)測變壓器輔助繞組電壓來檢測變壓器去磁，在變壓器去磁后，利用漏極電壓振蕩在谷值處開啟功率開關(guān)，減少開關(guān)損耗和電磁干擾。專利待批的谷值鎖定電路可消除谷值跳躍，使控制器在選定谷值后保持鎖定，直到輸出功率顯著變化，從而在更寬的輸出功率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)QR操作，同時保持良好的效率和限制最大工作頻率。

（七）VCO模式

當(dāng)VQFB低于VHVCOD時，控制器進(jìn)入VCO模式，在該模式下，峰值電流設(shè)定為VQILIM1*Ipeak(VCO)，工作頻率與VQFB線性相關(guān)。最小頻率鉗位fVCO(MIN)防止操作進(jìn)入可聽范圍，進(jìn)一步降低輸出功率會使控制器進(jìn)入跳過操作。

（八）反激超時

在極端阻尼振蕩情況下，QZCD比較器可能無法檢測到谷值，NCP1937通過設(shè)置最大超時周期確保系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行。在啟動期間，為限制連續(xù)電流模式（CCM）操作，設(shè)置較長的超時周期。

（九）QR反激電流檢測和過載保護(hù)

通過比較與開關(guān)電流成比例的斜坡和VQFB/KQFB，調(diào)制功率開關(guān)導(dǎo)通時間。電流信號通過前沿消隱（LEB）電路消除開關(guān)開啟時的前沿尖峰和高頻噪聲。最大峰值電流比較器限制系統(tǒng)最大峰值電流，過載定時器對過載故障持續(xù)時間進(jìn)行積分，根據(jù)不同選項(xiàng)可選擇鎖存或自動恢復(fù)。此外，還設(shè)置了額外的故障過流比較器，防止嚴(yán)重過載故障。

（十）QR反激軟啟動

軟啟動通過逐步增加內(nèi)部參考VSSTART并與電流檢測信號比較實(shí)現(xiàn)，軟啟動持續(xù)時間通常為4ms。在軟啟動期間，延長超時時間并屏蔽較低的鎖存或OTP比較器信號。

（十一）QR反激過功率補(bǔ)償

集成的過功率電路在PFC母線電壓變化時提供相對恒定的輸出功率，并減少VQFB在PFC階段啟用或禁用過渡期間的變化。通過對輔助繞組電壓進(jìn)行縮放并應(yīng)用到QZCD引腳，實(shí)現(xiàn)過功率補(bǔ)償。

（十二）功率因數(shù)校正

PFC階段工作在臨界導(dǎo)通模式（CrM），通過保持恒定導(dǎo)通時間實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)。PFC反饋電路通過跨導(dǎo)誤差放大器調(diào)節(jié)PFC輸出電壓，在輕負(fù)載時禁用PFC階段以降低輸入功率。PFC誤差放大器的輸出通過PControl引腳進(jìn)行補(bǔ)償，PFC導(dǎo)通時間由VPControl控制，同時具備瞬態(tài)響應(yīng)優(yōu)化和過壓保護(hù)功能。PFC電流檢測和零電流檢測通過組合的輸入端子實(shí)現(xiàn)，同時具備短路保護(hù)和頻率鉗位功能。

四、PCB布局建議

在PCB布局方面，由于NCP1937控制兩個獨(dú)立的可變開關(guān)頻率轉(zhuǎn)換器，可能會出現(xiàn)異步開關(guān)，因此需要特別注意電流路徑和接地模式，以避免兩個轉(zhuǎn)換器之間的相互干擾。建議將不同的接地進(jìn)行明確標(biāo)注，分為功率接地（PGNDx）和模擬或信號接地（AGNDx）。對于初級側(cè)功率接地，要盡量隔離PFC和反激轉(zhuǎn)換器的開關(guān)電流路徑；對于初級側(cè)模擬接地，采用星型接地配置，確保模擬信號的穩(wěn)定性。同時，在QR電流檢測信號上使用RC濾波器，以減少噪聲干擾。

五、總結(jié)

NCP1937作為一款集成了PFC和QR反激功能的組合式控制器，具有豐富的特性和強(qiáng)大的功能，能夠?yàn)檫m配器應(yīng)用提供高效、穩(wěn)定的電源解決方案。通過深入了解其工作原理和應(yīng)用要點(diǎn)，并遵循合理的PCB布局建議，工程師們可以充分發(fā)揮NCP1937的優(yōu)勢，設(shè)計(jì)出性能卓越的電源系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中，你是否遇到過類似控制器的調(diào)試問題？你又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。