深入剖析 NCP12700：一款高性能 PWM 控制器

引言

在電子工程領(lǐng)域，電源管理一直是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。一款優(yōu)秀的 PWM 控制器能夠?yàn)?a target="_blank">電源系統(tǒng)帶來高效、穩(wěn)定的性能。今天，我們就來深入了解 onsemi 公司推出的 NCP12700 固定頻率、峰值電流模式 PWM 控制器，探究它的特點(diǎn)、工作原理以及應(yīng)用場景。

文件下載：NCP12700-D.PDF

產(chǎn)品概述

NCP12700 是一款專為單端電源轉(zhuǎn)換拓?fù)湓O(shè)計的 PWM 控制器，具備固定頻率和峰值電流模式控制功能。它擁有一系列強(qiáng)大的特性，適用于多種電源應(yīng)用。其主要特點(diǎn)包括：

• 寬輸入電壓范圍：支持 9 - 120/200 V 的輸入電壓（不同封裝型號有所差異），能適應(yīng)多種工業(yè)、醫(yī)療、電信和交通應(yīng)用場景。
• 高壓啟動調(diào)節(jié)器：能夠在寬輸入電壓范圍內(nèi)啟動，并提供至少 15 mA 的電流，為系統(tǒng)啟動時的 VCC 提供臨時偏置。
• 可編程振蕩器：頻率范圍從 100 kHz 到 1 MHz，可根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行調(diào)整。
• 斜率補(bǔ)償：集成斜率補(bǔ)償功能，有效防止次諧波振蕩，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。
• 多種保護(hù)功能：具備輸入電壓 UVLO 保護(hù)、過功率保護(hù)、逐周期峰值電流限制、基于定時器的過載保護(hù)等多種保護(hù)機(jī)制，提高系統(tǒng)的可靠性。

關(guān)鍵特性詳解

超寬范圍高壓啟動調(diào)節(jié)器

NCP12700 的高壓啟動調(diào)節(jié)器可在 9 - 120 V（xDNR2G）或 9 - 200 V（xMTTXG）的輸入電壓范圍內(nèi)工作，無需外部組件即可直接連接 VIN 到轉(zhuǎn)換器輸入電壓。當(dāng) VIN 施加時，調(diào)節(jié)器立即開始為 VCC 充電，初始提供約 10 mA 電流，當(dāng) VCC 升至約 3 V 時，控制回路激活，源電流調(diào)節(jié)至 30 mA，直至 VCC 達(dá)到 8 V。為確保調(diào)節(jié)器穩(wěn)定，建議使用 1 - 10 μF 的 VCC 電容。在正常工作中，一旦輔助繞組將 VCC 電壓拉高于 VCC(REG)，高壓調(diào)節(jié)器將關(guān)閉，同時 VCC 電壓可高于 VIN 電壓，最高支持 28 V，VCC OVP 保護(hù)功能會在 28 V 時觸發(fā)，防止輔助繞組電壓損壞控制器。

輸入電壓 UVLO 檢測

該功能可確保轉(zhuǎn)換器在滿足最小輸入電壓閾值后才開始工作，避免在低輸入電壓時產(chǎn)生熱應(yīng)力。通過電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測輸入線電壓，用戶可設(shè)置啟用和禁用轉(zhuǎn)換器的閾值。當(dāng)輸入電壓最初施加時，設(shè)備處于關(guān)機(jī)/復(fù)位狀態(tài)，直到 UVLO 電壓超過 0.5 V 進(jìn)入待機(jī)模式，此時電流消耗增加。當(dāng) VCC 充電至 VCC(ON)，且 UVLO 電壓超過 0.8 V 時，設(shè)備啟用驅(qū)動脈沖，低于該值時則禁用。同時，通過 5 μA 的下拉電流源和 RUVLO(HYS)電阻可設(shè)置輸入電壓滯后，計算公式如下： [V{IN,START }=left(V{U VLO(t)}+left(frac{R{UVLO 1} R{UVLO2 }}{R{UVLO1 }+R{UVLO2 }}+R{UAVLO(INTS)}right) × I{UVLO(HYS)}right)left(frac{R{UVLO1 }+R{UVLO2 }}{R{UVLO2 }}right) ] [V{IN,STOP }=left(V{UVLO(th) }-V{UVLO(HYS) }right) timesleft(frac{R{UVLO 1}+R{UVLO 2}}{R_{UVLO 2}}right) ]

輸入電壓補(bǔ)償/過功率保護(hù)

在 CCM 或 DCM 反激轉(zhuǎn)換器中，輸出功率能力由公式 (P=0.5 × L timesleft(I{P}^{2}-I^{2} Vright) × f{SW}) 定義。NCP12700 的輸入電壓補(bǔ)償/過功率保護(hù)（OPP）電路通過 UVLO 引腳感應(yīng)輸入線電壓，當(dāng) UVLO 電壓超過 VOPP(START) 閾值（通常為 1 V）時，OTA 開始從 CS 引腳輸出電流，電流計算公式為 ({CS(OPP)}=G{m(OPP)} cdotleft(V{UVLO }-V{OPP(START) }right)) ，典型跨導(dǎo) (G_{m(OPP)}) 為 150 μA/V，最大電流限制為 200 μA。此外，CS 引腳輸出的電流會根據(jù) COMP 電壓進(jìn)行調(diào)制，確保在需要時提供電流。

PWM 操作

• RT 引腳與振蕩器：NCP12700 的振蕩器通過 RT 引腳連接到地的外部電阻來設(shè)置轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率，頻率計算公式為 (F_{OSC }=frac{1}{RT × 100 × 10^{-12}}) ，該控制器設(shè)計工作在 100 kHz 到 1 MHz 之間，在較低開關(guān)頻率下具有更嚴(yán)格的公差。
• 柵極驅(qū)動器（DRV）：配備柵極驅(qū)動器，可驅(qū)動初級側(cè) MOSFET。驅(qū)動器在高信號時施加 VCC 至 12 V 的鉗位電壓，低信號時為 0 V。具備 1 A 的上拉電流和 2.8 A 的下拉電流，確保功率 MOSFET 快速開關(guān)，降低開關(guān)損耗。
• PWM 復(fù)位路徑：適用于隔離式 DC - DC 轉(zhuǎn)換器，控制回路補(bǔ)償電路位于電源轉(zhuǎn)換器的次級側(cè)。轉(zhuǎn)換器輸出電壓與參考電壓比較，誤差放大器產(chǎn)生補(bǔ)償誤差信號，通過光耦傳遞給 NCP12700 的 COMP 引腳，經(jīng) 5R/R 分壓器分壓后發(fā)送到 PWM S/R 調(diào)制開關(guān)占空比。
• 斜率補(bǔ)償：在固定頻率峰值電流模式控制中，當(dāng)占空比超過 50% 時，轉(zhuǎn)換器易出現(xiàn)次諧波振蕩。NCP12700 采用內(nèi)部斜率補(bǔ)償電路，在開關(guān)占空比約為 40% 時開始降低衰減后的 COMP 電壓，在 80% 占空比時達(dá)到峰值 (V_{SLP(PK)}) ，同時在電流限制比較器輸入處也應(yīng)用斜率補(bǔ)償，防止過載時出現(xiàn)次諧波振蕩。
• 逐周期電流限制和過載保護(hù)：通過專用的電流限制比較器實(shí)現(xiàn)逐周期電流限制，當(dāng) CS 引腳感測到的電壓超過電流限制閾值 (V{CS(LIM)}) 時，驅(qū)動脈沖終止。有 250 mV 和 495 mV 兩種 (V{CS(LIM)}) 選項，電流限制比較器響應(yīng)迅速，總傳播延遲最大為 75 ns。同時，觸發(fā)過載定時器 (t_{CS(OVLD)}) （標(biāo)稱值為 30 ms），定時器到期后禁用驅(qū)動脈沖，設(shè)備進(jìn)入故障模式。
• 短路（SCP）比較器：具有快速短路比較器，閾值為 312.5 mV 和 625 mV。當(dāng) CS 引腳電壓迅速超過 (V_{SCP(LIM)}) 且 SCP 比較器觸發(fā)時，驅(qū)動脈沖終止，計數(shù)器遞增。若連續(xù) 4 個驅(qū)動脈沖觸發(fā) SCP 比較器，則禁用驅(qū)動脈沖，控制器進(jìn)入故障模式。
• 前沿消隱（LEB）：為確保 PWM 操作穩(wěn)定，NCP12700 在 CS 引腳感測電流斜坡信號，并通過 LEB 電路在 DRV 電壓施加到初級 MOSFET 后的短時間內(nèi)屏蔽電流感測信息，防止開關(guān)過渡時產(chǎn)生的噪聲過早終止驅(qū)動脈沖。內(nèi)部下拉開關(guān)的導(dǎo)通電阻最大為 55 Ω，下拉開關(guān)在 DRV 為低電平時開啟，DRV 變?yōu)楦唠娖胶蟪掷m(xù)開啟 60 ns（典型值）。之后，電流斜坡信號傳遞到 SCP 比較器，100 ns 的長 LEB 繼續(xù)保持 CS 和 PWM 比較器的信號路徑開放，直到該時間到期。
• 跳過比較器：對于輕載運(yùn)行的電源轉(zhuǎn)換器，可通過跳過驅(qū)動脈沖來維持輸出電壓調(diào)節(jié)或提高輕載效率。NCP12700 的跳過比較器監(jiān)測 COMP 引腳電壓，當(dāng)電壓低于 300 mV 時屏蔽驅(qū)動脈沖，要重新啟用驅(qū)動脈沖，COMP 電壓需超過 325 mV（300 mV + 25 mV 跳過滯后），防止因 COMP 引腳噪聲導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器在跳過模式中振蕩。
• 最大占空比：包含最大占空比鉗位功能，當(dāng)驅(qū)動脈沖在開關(guān)周期內(nèi)持續(xù)時間達(dá)到 (D_{MAX}) （默認(rèn)值為 80%）時終止。
• 軟啟動：通過專用比較器實(shí)現(xiàn)軟啟動功能，將 CS 引腳的電流斜坡信號與 SS 引腳產(chǎn)生的衰減軟啟動斜坡進(jìn)行比較。在啟用開關(guān)之前，內(nèi)部下拉晶體管導(dǎo)通，將外部軟啟動電容放電，使 SS 引腳接地。啟用開關(guān)后，下拉晶體管釋放，15 μA 的電流源為軟啟動電容充電，形成軟啟動斜坡電壓。該電壓經(jīng) (K_{SS}) 因子分壓后輸入到軟啟動比較器，當(dāng) CS 電壓超過軟啟動電壓時重置驅(qū)動脈沖，直到 PWM 比較器或電流限制比較器接管控制。當(dāng)軟啟動電壓超過 3 V 時，標(biāo)志軟啟動期結(jié)束，該標(biāo)志用于故障管理，避免在轉(zhuǎn)換器上電時誤觸發(fā)某些故障。

故障（FLT）引腳

FLT 引腳用于提供 NTC 接口進(jìn)行熱保護(hù)，以及與輔助繞組耦合實(shí)現(xiàn)輸出過壓保護(hù)，也可作為通用故障監(jiān)測引腳。內(nèi)部電路包括 85 μA 的精密上拉電流源和窗口比較器，當(dāng)引腳電壓低于 0.5 V（OTP 故障閾值）或高于 3 V（OVP 故障閾值）時發(fā)出故障信號，兩個故障比較器均包含延遲濾波器，防止噪聲或干擾觸發(fā)故障。OTP 故障濾波器延遲標(biāo)稱值為 20 μs，OVP 故障濾波器延遲通常為 5 μs，建議使用外部濾波電容。兩種故障均有永久鎖定或 1 s 自動恢復(fù)的選項，OTP 故障觸發(fā)后，設(shè)備進(jìn)入故障模式，需自動恢復(fù)定時器到期且故障引腳電壓超過 0.9 V 才能恢復(fù)。

故障處理總結(jié)

NCP12700 有 6 個故障檢測器，觸發(fā)故障時設(shè)備進(jìn)入故障模式，抑制開關(guān)操作，控制器偏置由高壓啟動調(diào)節(jié)器維持，同時將電流消耗降低至 (I_{CC(FLT)}) （最大 500 μA）。故障模式持續(xù)到故障信號清除和/或自動恢復(fù)定時器到期。不同故障檢測器的基本操作如下：

• 熱關(guān)斷（TSD）：當(dāng)設(shè)備內(nèi)部結(jié)溫超過 165°C 時觸發(fā)，結(jié)溫降至 140°C（165°C - 25°C）時自動恢復(fù)。
• OTP 故障：當(dāng)故障引腳電壓低于 0.5 V 且 OTP 濾波器延遲（通常為 20 μs）到期時觸發(fā)，啟動時 OTP 故障屏蔽，直到 SS_END 標(biāo)志設(shè)置?；謴?fù)條件為自動恢復(fù)定時器到期且故障引腳電壓恢復(fù)到 0.9 V。
• OVP 故障：當(dāng)故障引腳電壓超過 3 V 且 OVP 濾波器延遲（通常為 5 μs）到期時觸發(fā)，自動恢復(fù)定時器到期時故障清除，若引腳電壓永久高于 3 V，DRV 脈沖將永久抑制。
• 過載（OVLD）：過載定時器 (t_{OVLD}) （典型值為 30 ms）到期時設(shè)置，自動恢復(fù)定時器到期時控制器從故障中恢復(fù)。
• SCP 故障：當(dāng) NSCP 計數(shù)器達(dá)到 4 個連續(xù)由 SCP 比較器終止的 DRV 脈沖時發(fā)生，自動恢復(fù)定時器到期時控制器恢復(fù)。
• (V_{CC}) OVP：當(dāng) (V{CC}) 電壓超過 28 V 且 (V{CC}) OVP 濾波器（通常為 3 μs）到期時設(shè)置，該故障將永久鎖定設(shè)備，直到控制器復(fù)位。

評估板設(shè)計

為了更好地展示 NCP12700 的特性，開發(fā)了兩款評估板：

• DN05108：描述了一個 9 - 36 V 輸入的反激轉(zhuǎn)換器，輸出 12 V/15 W，開關(guān)頻率為 200 kHz，工作在連續(xù)和不連續(xù)導(dǎo)通模式。關(guān)鍵性能指標(biāo)包括滿載效率 > 87%、過功率保護(hù)、無負(fù)載輸出紋波最大 200 mVpp、無負(fù)載功耗最大 120 mW。
• DN05109：介紹了一個 18 - 160 V 輸入的反激轉(zhuǎn)換器，輸出 12 V/15 W，開關(guān)頻率為 100 kHz，在整個輸入電壓范圍內(nèi)工作在不連續(xù)導(dǎo)通模式。關(guān)鍵性能指標(biāo)包括瞬態(tài)響應(yīng) < 20 ms、過功率保護(hù)范圍為 115% - 155%、輸出電壓最大 16 VDC、最大功耗 500 mW。

總結(jié)

NCP12700 作為一款功能強(qiáng)大的 PWM 控制器，憑借其寬輸入電壓范圍、豐富的保護(hù)功能和靈活的操作特性，為電源設(shè)計工程師提供了一個可靠的解決方案。無論是在工業(yè)、電信還是交通等領(lǐng)域的電源應(yīng)用中，NCP12700 都能展現(xiàn)出卓越的性能。在實(shí)際設(shè)計中，工程師們可以根據(jù)具體需求合理選擇封裝型號和參數(shù)設(shè)置，充分發(fā)揮 NCP12700 的優(yōu)勢，打造高效、穩(wěn)定的電源系統(tǒng)。你在使用類似 PWM 控制器時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。