深入剖析NCP13994：高性能半桥谐振转换器控制器

在电子工程师的设计世界里，一款优秀的控制器就像是一位得力助手，能够为电源转换设计带来诸多便利和高性能表现。今天，我们就来深入剖析安森美（onsemi）的NCP13994，一款专为半桥谐振转换器打造的高性能电流模式控制器。

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一、NCP13994概述

NCP13994是一款为半桥谐振转换器量身定制的高性能电流模式控制器。它集成了高达700V的栅极驱动器，大大简化了电路板布局，同时减少了外部元件的使用数量。内置的欠压输入功能，让它在各种应用中都能轻松实现控制。对于需要PFC（功率因数校正）前级的应用，NCP13994还具备专门的输出端口，用于驱动PFC控制器，再结合安静跳过模式技术，进一步提高了整个应用在轻载时的效率。此外，它还提供了一系列保护功能，确保在任何应用中都能安全运行，包括过载保护、过流保护、欠压检测、线路过压保护、X2电容放电、光耦开路检测、自动死区时间调整、过压（OVP）和过温（OTP）保护等。

框图

二、核心特性解析

2.1 高电压工作范围与保护

• 高侧驱动器和高压启动电流源：高侧驱动器的工作范围可达700V，高压启动电流源同样具备700V的工作范围，同时还提供线路欠压和过压保护功能，为高压应用提供了可靠的保障。
• X2电容放电功能：能够有效对X2电容进行放电，确保在电源断开时的安全性。输出驱动器采用钳位设计，最高可承受30V的电源电压。

2.2 高频与高效运行

• 高频操作：支持从20kHz到750kHz的高频操作，能够满足不同应用对频率的需求。采用电流模式控制方案，结合自动死区时间调整和最大死区时间钳位功能，确保了系统的稳定性和可靠性。
• 轻载与安静模式：具备轻载运行模式，提高了轻载时的效率；安静跳过操作模式则能有效减少变压器的声学噪声，为应用提供了更安静的工作环境。

2.3 低功耗与保护机制

• 超低功耗：具备关断模式操作，可实现极低的空载功耗，降低了系统在无负载时的能耗。
• 多重保护：提供锁存或自动恢复的过载保护、输出短路保护，以及针对严重故障条件（如OVP或OTP）的锁存输入保护，确保系统在各种故障情况下都能安全运行。

三、引脚功能与电气特性

3.1 引脚功能详解

NCP13994共有16个引脚，每个引脚都有其特定的功能。例如，HV引脚用于连接整流后的交流线路或大容量电容器，实现启动电流源和动态自供电功能，同时还具备X2电容放电和线路欠压/过压保护功能；VBULK引脚用于监测大容量电压，实现欠压保护；LLC FB引脚根据负载条件定义工作频率，并在轻载条件下激活跳过/轻载模式操作等。

3.2 电气特性分析

文档中详细列出了NCP13994在不同条件下的电气特性参数，包括启动电流源、电源部分、HV感应、X2放电、自举部分、驱动器输出等方面。这些参数为工程师在设计电路时提供了重要的参考依据，确保系统能够在各种工作条件下稳定运行。

四、关键功能实现原理

4.1 VCC管理与高压启动电流源

NCP13994的高压启动电流源能够实现快速启动和极低的待机功耗。系统提供了两种启动电流水平（$I{start1}$和$I{start2}$），以确保在VCC和GND引脚之间发生短路时的安全性。高压启动电流源主要根据$V_{CC}$电平来启用或禁用，同时也可以通过BO_OK上升沿、自动恢复定时器结束、关断模式和TSD结束事件来启用。在IC启动前，高压启动电流源会对VCC电容器进行充电。

4.2 欠压保护 - VBULK输入

LLC转换器的谐振 tank通常设计在特定的大容量电压范围内工作。低于最小大容量电压水平会导致转换器功率级的电流和温度过应力。NCP13994通过VBULK输入引脚，能够精确调整大容量电压的开启和关闭电平，实现欠压保护，大大简化了应用级设计。

4.3 HV感应与X2电容放电

• HV感应：NCP13994的HV引脚具备真正的交流线路监测电路，包括最小启动阈值、自动恢复线路欠压保护、线路过压保护和X2电容放电功能。当输入电压低于特定阈值时，会触发相应的保护机制，确保系统的安全运行。
• X2电容放电：该功能通过专门的控制电路实现，能够在检测到交流线路断开时，对X2电容进行放电。放电电流会根据HV引脚电压线性下降，以适应不同的外部串联电阻值。

4.4 过压和过温保护

OVP/OTP引脚是一个专门的输入端口，用于实现过压（OVP）和过温（OTP）保护功能。这两种保护功能可以根据NCP13994的不同版本选择锁存或自动恢复模式。通过设置不同的电压阈值，定义了一个无故障窗口，当输入电压超出该窗口时，控制器会停止运行，并触发相应的保护机制。

4.5 关断模式控制

NCP13994实现了一种超低功耗的关断模式操作。应用输出电压会在标称值和较低值之间循环，由次级侧关断模式控制器（如NCP435x）定义。通过这种方式，可以显著降低空载输入功耗。NCP13994提供了两种不同的关断模式控制方法：主动ON关断模式控制和主动OFF关断模式控制。

4.6 PFC模式输出

PFC MODE引脚可根据应用的实际运行状态控制额外的电路。它主要有两个用途：一是控制PFC前级控制器的运行；二是根据大容量电容器电压控制PG光耦。该引脚有三种可能的状态：下拉状态、调节电压状态和高阻状态，通过不同状态的切换，实现对PFC控制器的有效控制和功耗的优化。

4.7 导通时间调制与反馈回路

• 电流模式控制：NCP13994的导通时间调制采用电流模式控制方案，确保了最佳的瞬态响应性能，并提供了逐周期的过流保护功能。通过对谐振电容器电压的采样和处理，实现对开关导通时间的精确控制。
• 反馈回路：反馈回路通过FB引脚电压监测，实现对系统的稳定控制。FB引脚信号用于多种功能的检测，如跳过模式操作、轻载模式检测、关断模式检测和过载/开路故障检测等。

4.8 过载和开路FB保护

通过监测FB引脚电压，当电压达到$V_{FB_FAULT}$水平时，触发FB故障比较器，启动故障定时器。在预定义的时间内确认故障后，控制器会禁用驱动脉冲，进入保护模式，并根据IC选项选择锁存或自动恢复操作。

4.9 二次侧短路检测

NCP13994通过监测CS引脚信号，实现对二次侧短路的检测。当CS故障比较器被触发时，CS故障计数器会递增，当计数器溢出时，控制器会根据IC选项进入自动恢复或锁存保护模式。

4.10 专用启动序列与软启动

• 启动序列：为了避免在启动时出现硬开关情况，NCP13994采用了专用的启动序列。在启动前，先将谐振电容器放电至$V_{HB_MIN}$，然后依次激活Mlower和Mupper驱动器，根据不同的条件调整Mupper驱动器的导通时间，确保在各种启动条件下都能实现软启动。
• 软启动：软启动过程通过软启动计数器和D/A转换器实现。软启动计数器根据Mlower开关的导通时间进行递增，控制ON时间计数器和最大ON时间比较器，实现对开关导通时间的逐步增加，从而实现非线性软启动，提高了系统在启动过程中的稳定性和效率。

五、实际应用与布局建议

5.1 典型应用场景

NCP13994适用于多种应用场景，包括适配器和离线电池充电器、平板显示器电源转换器、计算机电源、工业和医疗电源等。在这些应用中，它能够充分发挥其高性能和高可靠性的优势，为系统提供稳定的电源支持。

5.2 布局建议

正确的电路板布局是确保NCP13994可靠运行的关键。在布局时，要特别注意GND路径的连接，确保信号的稳定性和抗干扰能力。同时，要合理安排各个引脚的位置，避免信号干扰和噪声影响。

六、总结

NCP13994作为一款高性能的半桥谐振转换器控制器，凭借其丰富的功能特性、可靠的保护机制和高效的运行模式，为电子工程师在电源设计领域提供了一个强大的工具。无论是在高压应用、高频操作还是低功耗设计方面，它都表现出色。在实际应用中，我们需要根据具体的需求，合理选择IC选项，优化电路板布局，充分发挥NCP13994的优势，为我们的设计带来更出色的性能和可靠性。

你在使用NCP13994的过程中遇到过哪些问题？或者你对它的哪些特性最感兴趣？欢迎在评论区留言分享你的经验和想法。