高性能ATX电源组合控制器NCP1910的深度解析

在电子电源设计领域，ATX电源和平面电视电源的性能提升一直是工程师们关注的焦点。安森美（onsemi）的NCP1910高性能组合控制器为这一领域带来了新的解决方案。今天，我们就来深入探讨一下NCP1910的特性、应用以及工作原理。

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一、NCP1910概述

NCP1910采用SO - 24WB封装，将先进的电路集成在一起，旨在为下一代ATX或平面电视转换器供电。它结合了65或100 kHz的连续导通模式（CCM）功率因数控制器（PFC）和一个带有高压驱动器的LLC控制器，能够为85 + 类型的离线电源供电。

（一）主要特性

1. PFC控制器特性
   • 固定频率：支持65或100 kHz的固定频率CCM PFC，采用平均电流模式控制，可降低线路失真。
   • 动态响应增强：通过内部200μA电流源，在输出电压异常时加速调节回路。
   • 独立过压保护：具备独立的过压保护感应引脚，具有锁存功能。
   • 可调频率折返：在轻负载条件下，通过调节VCTRL引脚电压，降低开关频率，提高轻载效率。
   • 可调线路欠压保护：具有50 ms延迟，有助于满足保持时间规格。
   • 可编程过流阈值：可优化感测电阻，保护MOSFET。
   • ±1 A峰值电流驱动能力：能够高效驱动TO220或TO247功率MOSFET。
2. LLC控制器特性
   • 宽频率操作：工作频率范围为25 kHz至500 kHz，通过连接电阻网络可设置最大和最小开关频率。
   • 内置死区时间：内置死区时间（DTL），消除半桥臂的直通问题。
   • 软启动功能：通过SS引脚电容实现软启动，避免启动时的电流冲击。
   • 跳过周期操作（B版本）：在轻负载条件下，可通过Skip引脚跳过LLC输出脉冲，避免频率失控，提高待机功耗。
   • 高压驱动器：基于安森美高压技术，可直接连接LLC半桥的高压侧MOSFET，无需栅极驱动变压器。
   • 故障保护：CS/FF引脚具有两级保护，可实现自动恢复和锁存保护。

（二）典型应用

NCP1910有A和B两个版本，分别适用于不同的应用场景。

• A版本：适用于多输出ATX电源，提供稳定的电源输出。
• B版本：适用于平面电视电源，在轻负载条件下具有更好的性能。

二、引脚描述

NCP1910共有24个引脚，每个引脚都有特定的功能。以下是一些关键引脚的介绍：

1. SS（软启动）：连接到地的电容设置LLC软启动持续时间。
2. Rt（LLC反馈引脚）：通过电阻设置LLC的最大和最小开关频率。
3. PG out（电源良好信号）：当Vbulk正常时，该引脚为低电平；当Vbulk低于PGadj引脚设置的水平时，引脚开路。
4. on/off（远程控制）：拉低该引脚，电路开始工作；开路时，控制器处于空闲模式。
5. BO adj.（欠压调整）：设置PFC为LLC转换器供电的开和关电平。
6. Vref（5 V参考引脚）：提供稳定的5 V参考电压，用于阈值调整。
7. PG adj.（电源良好跳闸电平）：设置PFC母线电压的跳闸点，当母线电压低于该点时，PG out信号变为高电平。
8. OVP2（冗余过压保护）：独立于FB引脚，监控PFC母线电压，具有锁存功能。
9. FB（PFC反馈）：监控升压母线电压并进行调节，同时作为快速自动恢复过压保护。
10. VCTRL（PFC误差放大器输出）：PFC误差放大器补偿引脚，控制PFC的输出功率。
11. VM（PFC电流放大器输出）：通过连接到地的电阻设置最大功率水平。
12. LBO（PFC线路输入电压感应）：用于线路前馈和PFC欠压检测。
13. Fold（PFC频率折返）：选择频率开始降低的功率水平。
14. CS（PFC电流检测）：检测电感电流，并编程最大感测电压偏移。
15. CS/FF（快速故障输入）：当引脚电压高于1 V时，LLC停止并通过全软启动序列重新启动。
16. Skip/AGND（跳过/模拟地）：A版本用作模拟地，B版本用于跳过操作。
17. GND/PGND（地/功率地）：A版本为驱动回路的控制器地，B版本为所有电路的接地引脚。
18. DRV（PFC驱动信号）：驱动PFC功率MOSFET的信号。
19. VCC（控制器电源）：控制器的电源引脚，最大电压为20 V。
20. ML（下侧MOSFET驱动信号）：驱动下侧半桥MOSFET的信号。
21. Bridge（半桥）：连接到LLC半桥。
22. MU（上侧MOSFET驱动信号）：驱动上侧半桥MOSFET的信号。
23. Vboot（自举Vcc）：浮动驱动器的自举VCC。

三、工作原理

（一）PFC部分

NCP1910的PFC部分采用CCM PFC升压转换器，通过控制MOSFET的开关，使电感电流跟踪输入电压的正弦波，从而提高功率因数。

1. PFC调制：MOSFET的导通时间t1由参考电压VPREF和斜坡电压Vramp的交点决定。通过调整Vramp的斜率和VPREF的值，可以控制PFC的占空比。
2. 输入阻抗控制：通过调整乘数电压VM，使输入阻抗Zin在50或60 Hz带宽内保持恒定，从而实现功率因数校正。
3. 线路欠压保护：通过LBO引脚检测输入电压，当输入电压低于设定值时，PFC驱动器被禁用，VCTRL引脚接地，待故障消除后通过软启动恢复工作。
4. 过流保护：当CS引脚检测到的电感电流超过过流保护阈值ICS(OCP)时，PFC驱动器输出低电平，当电感电流低于阈值时，自动恢复工作。
5. 过功率限制：通过检测CS引脚的电流和LBO引脚的电压，当两者的乘积超过允许值时，PFC驱动器关闭，限制输入功率。
6. 频率折返：在轻负载条件下，通过比较VCTRL - VCTRL(min)和Fold引脚的电压，降低PFC的开关频率，提高轻载效率。
7. 软启动：通过30μA电流源对VCTRL引脚的补偿网络充电，使VCTRL逐渐升高，实现软启动。

（二）LLC部分

LLC部分采用电流控制振荡器（CCO），通过控制Rt引脚的电流来调节开关频率。

1. CCO工作原理：内部定时电容Ct由与Rt引脚流出电流成比例的电流充电，当电容电压达到Vctmax时，放电电流iDT使输出驱动器禁用，形成死区时间。
2. 频率调节：通过外部电阻Rmin、Rmax和RSS分别设置最小、最大和软启动开关频率。
3. 软启动：通过SS引脚的电容实现软启动，在启动时将电容放电，使开关频率从最大值逐渐降低。
4. 故障保护：CS/FF引脚具有两级保护，当引脚电压超过VCS1时，LLC开关频率升高；当超过VCS2时，整个组合控制器锁存。

（三）组合管理

1. 启动延迟：PFC启动后，插入20 ms延迟，确保PFC输出电压稳定后再启动LLC转换器。
2. 电源良好信号：PFC启动后，内部“PFC_OK”信号置高，20 ms后PG引脚拉低。当母线电压异常或PFC出现故障时，PG信号消失，LLC转换器在5 ms后停止工作。
3. 锁存事件：当出现严重故障时，PFC或LLC控制器可能被锁存，可通过VCC UVLO、线路欠压或on/off引脚的电平转换进行复位。
4. 热关断：当结温超过140°C时，内部热电路禁用电路栅极驱动，温度下降到110°C时恢复工作。

四、应用注意事项

（一）布局设计

在PCB布局时，建议将功率地和模拟地的走线分开，以减少干扰。功率地（引脚17）直接连接到PFC MOSFET，模拟地的走线先汇总后再连接到模拟地引脚（引脚16）和PFC感测电阻。

（二）电容选择

在VCC引脚旁边添加1 nF至100 nF的去耦电容，以确保控制器的稳定工作。同时，在FB引脚旁边添加100 pF的去耦电容，防止噪声影响。

（三）线路欠压网络计算

根据输入电压和LBO引脚的要求，合理计算线路欠压网络的电阻值，确保在不同输入电压条件下，LBO引脚的电压满足设计要求。

五、总结

NCP1910是一款功能强大的高性能组合控制器，它集成了PFC和LLC控制器的功能，具有多种保护功能和灵活的调节特性。在ATX电源和平面电视电源等应用中，NCP1910能够提供高效、稳定的电源解决方案。作为电子工程师，我们在设计过程中需要充分了解其特性和工作原理，合理选择外部元件，优化布局设计，以确保系统的性能和可靠性。

你在使用NCP1910的过程中遇到过哪些问题？或者你对它的某些特性有更深入的见解？欢迎在评论区分享你的经验和想法。