探索onsemi NCP101X系列：高效離線開關(guān)電源的理想之選

在電子設(shè)備的電源設(shè)計領(lǐng)域，尋找一款性能卓越、成本低廉且易于使用的開關(guān)電源解決方案一直是工程師們的追求。onsemi的NCP101X系列（NCP1010、NCP1011、NCP1012、NCP1013、NCP1014）就是這樣一款值得關(guān)注的產(chǎn)品。今天，我們就來深入了解一下這個系列的特點、應(yīng)用以及設(shè)計要點。

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一、NCP101X系列概述

NCP101X系列集成了固定頻率電流模式控制器和700V MOSFET，采用PDIP - 7或SOT - 223封裝。它為構(gòu)建堅固且低成本的電源供應(yīng)器提供了所需的一切功能，包括軟啟動、頻率抖動、短路保護、跳周期模式、最大峰值電流設(shè)定點和動態(tài)自供電（無需輔助繞組）。與其他單片解決方案不同，NCP101X天生安靜，在標(biāo)稱負載運行時，以65kHz、100kHz或130kHz的頻率進行開關(guān)操作；當(dāng)電流設(shè)定點低于給定值時，IC會自動進入跳周期模式，在輕負載下提供出色的效率，且不會產(chǎn)生聲學(xué)噪聲。

二、主要特性剖析

2.1 內(nèi)置700V MOSFET

NCP101X系列內(nèi)置了700V MOSFET，典型的 (R{DSon}) 為11Ω和22Ω，高壓引腳之間具有較大的爬電距離，這有助于提高電路的安全性和可靠性。不同型號的 (R{DSon}) 和峰值電流 (I{peak}) 有所不同，例如NCP1010的 (R{DSon}) 為22Ω， (I{peak}) 為100mA；NCP1014的 (R{DSon}) 為11Ω， (I_{peak}) 為450mA。

2.2 電流模式固定頻率操作

支持65kHz、100kHz和130kHz三種固定頻率，可根據(jù)具體應(yīng)用需求進行選擇。這種固定頻率操作模式有助于穩(wěn)定電路性能，提高電源的效率和穩(wěn)定性。

2.3 跳周期操作

僅在低峰值電流時進行跳周期操作，避免了聲學(xué)噪聲的產(chǎn)生。當(dāng)輸出功率需求減小時，IC自動進入跳周期模式，減少不必要的開關(guān)損耗，從而提高輕負載下的效率。

2.4 動態(tài)自供電（DSS）

無需輔助繞組，可直接從高壓直流母線為IC供電。這簡化了變壓器設(shè)計，確保在困難的輸出條件下（如恒流操作）對開關(guān)電源進行更好的控制。不過，為了提高待機性能，也可以連接輔助繞組來禁用DSS操作。

2.5 其他特性

還具備內(nèi)部1.0ms軟啟動、鎖存過壓保護、頻率抖動以改善電磁干擾（EMI）特性、自動恢復(fù)內(nèi)部輸出短路保護、內(nèi)部溫度關(guān)斷、直接光耦連接以及提供SPICE模型用于瞬態(tài)分析等特性。同時，該系列產(chǎn)品為無鉛和無鹵化物器件，符合環(huán)保要求。

三、引腳功能與電氣特性

3.1 引腳功能

NCP101X系列在SOT - 223和PDIP - 7封裝下各引腳具有不同的功能。例如，VCC引腳為內(nèi)部電路供電，通常連接一個典型值為 (10mu F) 的外部電容，其產(chǎn)生的自然紋波參與頻率抖動；FB引腳為反饋信號輸入，通過連接光耦可根據(jù)輸出功率需求調(diào)整峰值電流設(shè)定點；Drain引腳為內(nèi)部MOSFET的漏極連接。

3.2 電氣特性

文檔中詳細列出了各項電氣特性參數(shù)，包括電源電壓、VCC管理、功率開關(guān)電路、內(nèi)部啟動電流源、電流比較器、內(nèi)部振蕩器、反饋部分和溫度管理等方面。例如，VCC上升到7.9 - 9.1V時電流源關(guān)閉，下降到6.9 - 8.1V時電流源開啟；不同型號的MOSFET導(dǎo)通電阻 (R_{DSon}) 在不同溫度下有所變化；內(nèi)部振蕩器的振蕩頻率在不同版本下分別為65kHz、100kHz和130kHz等。

四、應(yīng)用優(yōu)勢與場景

4.1 低待機功耗

在輕負載條件下，通過跳周期模式大幅降低功率損耗。如果連接輔助繞組，可進一步將待機功率降低到極低水平，典型測量結(jié)果顯示，對于一個典型的7.0W通用電源，在230Vac下待機功率可低于80mW。

4.2 短路保護

通過永久監(jiān)測反饋線路活動，IC能夠檢測短路的存在，立即降低輸出功率以實現(xiàn)系統(tǒng)的全面保護。一旦短路消失，控制器恢復(fù)正常運行。

4.3 故障安全光耦和過壓保護

當(dāng)輔助繞組連接到VCC引腳時，設(shè)備停止內(nèi)部動態(tài)自供電，從輔助繞組獲取工作電源。通過調(diào)整與VCC端子串聯(lián)的限流電阻，可以實現(xiàn)過壓保護功能，在光耦損壞或反饋回路出現(xiàn)問題時鎖止電路。

4.4 典型應(yīng)用場景

適用于低功率AC/DC適配器（如充電器）、輔助電源（如USB、家電、電視等）。

五、設(shè)計要點與注意事項

5.1 動態(tài)自供電（DSS）設(shè)計

在設(shè)計時，需要合理選擇VCC電容的大小，以確保在啟動過程中能夠提供足夠的能量，避免進入故障狀態(tài)。根據(jù)公式 (C ≥frac{ICC1 times startup}{Delta V}) 進行計算，例如，若已知 (Delta V = 1.0V)，ICC1（max）為1.1mA，假設(shè)開關(guān)電源啟動需要10ms，計算得出C應(yīng)大于20μF，因此選擇33μF/16V的電容較為合適。

5.2 短路保護設(shè)計

內(nèi)部保護電路通過監(jiān)測內(nèi)部錯誤標(biāo)志來檢測短路情況。當(dāng)檢測到錯誤信號時，IC立即停止輸出脈沖，降低內(nèi)部電流消耗，并進入鎖止?fàn)顟B(tài)，直到誤差消除后自動恢復(fù)運行。通過計算保護突發(fā)占空比，可以確保在故障條件下平均功率損耗較低，避免熱失控。

5.3 降低待機功率設(shè)計

可以通過連接輔助繞組來禁用自供電，同時需要合理選擇限流電阻Rlimit，以避免在正常運行時觸發(fā)VCC過流鎖止，同時在進入待機狀態(tài)時不會使電壓降過大，從而保證DSS不會重新激活，影響待機性能。計算公式為 (frac{Vnom - Vclamp}{Itrip} leq Rlimit leq frac{Vstby - VCC_{ON}}{ICC1}) 。

5.4 頻率抖動設(shè)計

通過將VCC紋波引入內(nèi)部振蕩器，實現(xiàn)開關(guān)頻率在標(biāo)稱值附近的抖動，從而將能量分散到相鄰頻率上，降低標(biāo)準(zhǔn)EMI接收器上的測量噪聲，更輕松地通過EMI測試。典型的頻率偏差為標(biāo)稱頻率的3.3%。

5.5 軟啟動設(shè)計

NCP101X具有內(nèi)部1.0ms軟啟動功能，在電源啟動或過流突發(fā)序列期間，峰值電流從接近零逐漸增加到最大內(nèi)部鉗位水平，有助于減少啟動時的電流沖擊，保護電路元件。

5.6 非鎖止和全鎖止關(guān)機設(shè)計

非鎖止關(guān)機可以通過連接一個NPN雙極晶體管到FB引腳和地之間來實現(xiàn)，當(dāng)FB引腳電壓低于內(nèi)部跳周期水平時，輸出脈沖被禁用，放松FB引腳后IC恢復(fù)運行。全鎖止關(guān)機則需要通過兩個外部晶體管組成的離散SCR來實現(xiàn)，當(dāng)檢測到異常情況（如過溫或過壓）時，永久關(guān)閉FB引腳，直到用戶拔掉電源。

5.7 功率耗散和散熱設(shè)計

NCP101X的總功率耗散包括DSS電流源和MOSFET兩部分，即 (P{tot} = P{DSS} + P{MOSFET}) 。在設(shè)計PCB時，可以通過合理布局銅層來降低熱阻，提高散熱性能。例如，采用PDIP - 7封裝并在周圍布置銅層，可將熱阻 (R{JA}) 降低到75°C/W，從而提高設(shè)備的功率處理能力。

5.8 設(shè)計步驟

在設(shè)計基于NCP101X的開關(guān)電源時，需要注意以下幾點：

• 確保橫向MOSFET體二極管在啟動和正常運行時都不會正向偏置，選擇合適的匝數(shù)比，滿足 (N cdot (Vout + Vf) < Vin_{min}) 。
• 推薦在不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）下運行，以避免亞諧波振蕩，雖然在占空比低于40%的連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）下也可以運行，但需要謹(jǐn)慎考慮。
• 安裝傳統(tǒng)的RCD鉗位網(wǎng)絡(luò)或簡單電容來保護MOSFET，避免漏極電壓超過安全值。

通過以上設(shè)計要點和注意事項，可以充分發(fā)揮NCP101X系列的性能優(yōu)勢，設(shè)計出高效、可靠的開關(guān)電源。

六、典型應(yīng)用案例

6.1 6.5W NCP1012 - 基于反激式轉(zhuǎn)換器

該轉(zhuǎn)換器采用動態(tài)自供電和簡化的齊納式反饋，適用于低成本應(yīng)用。在100Vac和230Vac輸入下，輸出功率為6.5W時，效率分別為75.7%和76.5%。

6.2 7.0W NCP1013 - 基于反激式轉(zhuǎn)換器

該轉(zhuǎn)換器使用輔助繞組，禁用DSS，可在高達70°C的環(huán)境溫度下提供7.0W的輸出功率。通過TLV431進行反饋，低偏置電流有助于降低空載待機功率。在不同輸入電壓和工作模式下的測量結(jié)果顯示，使用輔助繞組時待機功率顯著降低，輸出功率為7.0W時效率可達81% - 81.3%。

七、總結(jié)

onsemi的NCP101X系列為電子工程師提供了一種高性能、低成本的離線開關(guān)電源解決方案。其豐富的特性和功能，如動態(tài)自供電、短路保護、低待機功耗、頻率抖動等，使其在各種應(yīng)用場景中都能表現(xiàn)出色。在設(shè)計過程中，工程師需要根據(jù)具體需求合理選擇型號和參數(shù)，注意各項設(shè)計要點和注意事項，以確保電源的性能和可靠性。希望本文對大家在使用NCP101X系列進行電源設(shè)計時有所幫助。你在實際應(yīng)用中是否遇到過相關(guān)問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。