深入解析NCP13994：高性能半桥谐振转换器 控制器

在电源设计领域，一款优秀的控制器能显著提升电源系统的性能和稳定性。NCP13994作为安森美（onsemi）推出的高性能电流模式控制器，专为半桥谐振转换器量身打造，具备诸多先进特性和功能，下面将对其进行详细解析。

一、NCP13994概述

NCP13994是一款用于半桥谐振转换器的高性能电流模式控制器，它集成了700V栅极驱动器，简化了布局并减少了外部组件数量。内置的欠压输入功能使该控制器在各类应用中更易于实现。此外，对于需要PFC前级的应用，NCP13994还设有专用输出以驱动PFC控制器，结合安静跳过模式技术，进一步提高了整个应用的轻载效率。同时，它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。

1.1 关键特性

宽电压范围：高端驱动器和高压启动电流源的工作范围高达700V。
多种保护功能：具备线路欠压和过压保护、X2电容放电功能等。
高性能控制：采用电流模式控制方案，自动死区时间调整并带有最大死区时间钳位。
高效运行模式：轻载运行模式和安静跳过运行模式可提高效率并减少变压器声学噪声，关断模式可实现极低的空载功耗。
灵活的保护选项：过载和输出短路保护可选择锁存或自动恢复模式。

1.2 典型应用

NCP13994适用于多种应用场景，如适配器和离线电池充电器、平板显示器电源转换器、计算电源以及工业和医疗电源等。

二、引脚功能与参数

2.1 引脚功能描述

NCP13994共有16个引脚，每个引脚都有其特定的功能：	引脚编号	引脚名称	功能
1	HV	高压启动电流源输入	连接到整流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。连接到交流线路时，提供X2电容放电和线路欠压/过压保护功能。
2	NC	未连接	增加爬电距离。
3	VBULK	大容量电压监测输入	接收分压后的大容量电压，实现欠压保护。
4	SKIP/REM	跳过阈值调整	通过连接到地的电阻设置跳过阈值，控制关断模式操作（取决于版本）。
5	LLC FB	LLC反馈输入	根据给定负载条件定义工作频率，在轻载条件下激活跳过/轻载模式操作，对于激活关断版本，激活关断模式操作。
6	LLC CS	LLC电流检测输入	检测分压后的谐振电容器电压，实现导通时间调制、谐振外开关保护、过流保护和次级侧短路保护。
7	OTP / OVP	过温和过压保护输入	在单个引脚上实现过温和过压保护。
8	FB FREEZE	最小内部FB电平	调整轻载操作期间可达到的最小内部FB电平。
9	PFC MODE/SKIP	PFC和外部高压开关控制输出	为PFC前级控制器提供电源或控制电压，设置跳过阈值。
10	VCC	为控制器供电	控制器的供电引脚。
11	GND	模拟地	调节组件、传感网络和DRV输出的公共接地连接。
12	MLOWER	低端驱动器输出	驱动低端MOSFET。
13	NC	未连接	增加爬电距离。
14	MUPPER	高端驱动器输出	驱动高端MOSFET。
15	HB	半桥连接	连接到半桥点。
16	VBOOT	自举引脚	高端级的浮动电源。

2.2 最大额定值

NCP13994的各个引脚都有其最大额定值，例如HV引脚的电压范围为 -0.3V至700V，VCC引脚的电压范围为 -0.3V至30V等。超过这些额定值可能会损坏设备，影响其功能和可靠性。

2.3 电气特性

文档详细列出了NCP13994在不同条件下的电气特性，包括高压启动电流源、电源部分、HV传感、X2放电、自举部分、HB放电器、驱动器输出、dV/dt检测器、PFC模式输出、OVP/OTP、启动序列、反馈部分、电流检测输入部分、跳过模式、安静跳过模式、FB冻结输入、故障和自动恢复定时器、欠压保护、斜坡补偿以及温度关断保护等方面的参数。这些参数为工程师在设计应用时提供了重要的参考依据。

三、主要功能模块解析

3.1 VCC管理与高压启动电流源

NCP13994的HV启动电流源可实现快速启动时间和极低的待机功耗。系统提供两种启动电流水平（(I{start 1})和(I{start2})），以确保在VCC和GND引脚之间发生短路时的安全性。此外，HV启动电流源还具备独立的过温保护，防止IC在应用中出现故障时受损。该电流源主要根据(V_{CC})电平启用或禁用，也可通过BOOK上升沿、自动恢复定时器结束、关断模式和TSD结束事件启用。在IC启动前，HV启动电流源为VCC电容器充电。当VCC引脚电压达到(V{CCON})阈值时，HV启动电流源禁用，应用开始运行，辅助绕组在正常和跳过模式下维持控制器的电压偏置。当辅助绕组的偏置不足以使(V{CC})电压高于(V_{CC_OFF})阈值时，IC进入动态自供电（DSS）模式。

3.2 欠压保护 - VBULK输入

谐振转换器的谐振槽通常设计为在特定的大容量电压范围内运行。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的VBULK输入可精确调整大容量电压的开启和关闭电平，大大简化了应用级设计。通过内部电路监测高压输入轨（(V{bulk})），利用高阻抗电阻分压器将(V{bulk})的一部分引至VBULK引脚。当大容量电压低于开启电平（(V_{bulkON})）时，电流吸收器（(I{BODOWN})）激活；当应用运行时，(I{BODOWN})吸收器禁用。(V{bulkON})和(V{bulk_OFF})电平可通过特定公式计算得出。此外，为提高系统的抗噪声能力，在VBULK引脚的比较器后添加了滤波器，并建议采用良好的布局和使用小的外部滤波电容。在关断模式下，可通过HV开关断开大容量电压分压器，进一步降低空载功耗。

3.3 HV传感与X2电容放电功能

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。为确保X2电容放电功能正常，必须使用未滤波的整流交流输入。当输入电压低于(V_{HVDOWN})且持续时间超过线路欠压定时器时长（(t{HV})）时，检测到欠压条件，控制器停止产生驱动脉冲；当(V{HV})超过(V{HVUP})阈值且(V{CC})超过(V_{CCON})事件时，控制器启动。对于线路过压保护，当输入电压超过(V{HVOVP})时，控制器不会立即停止，而是通过消隐电路避免对短于(t{OVPBLANK})的尖峰和电压浪涌敏感。X2电容放电功能通过启动电流源和专用控制电路实现，可节省约16mW - 25mW的输入功率，并减少外部组件数量。当检测到线路断开时，X2电容器通过定义的电流（(I{DISCH})）放电，当电压低于约40V时，放电电流线性减小。该功能在任何控制器操作模式下均有效，以确保SMPS用户的安全。

3.4 过压和过温保护

OVP/OTP引脚是一个专用输入，用于实现适配器应用中所需的过压（OVP）和过温（OTP）保护功能。这两种保护功能可根据NCP13994的版本选择锁存或自动恢复模式。OVP/OTP引脚有两个电压检测阈值（(V{OVP})和(V{OTP})），定义了无故障窗口。当OVP/OTP输入电压在该窗口内时，控制器允许运行；当超出该窗口时，控制器在滤波时间延迟后停止操作，并根据IC版本触发锁存或自动恢复定时器。内部电流源(I{OTP})允许通过使用单个负温度系数（NTC）热敏电阻实现简单的OTP保护。为避免因应用噪声和/或布局不良导致的保护误触发，系统中实现了(t{OVPFILTER})和(t{OTPFILTER})滤波器。在控制器启动期间，为避免因外部滤波电容充电电流导致OTP保护误触发，设置了(t{BLANK_OTP})周期。

3.5 关断模式控制

NCP13994实现了一种超低功耗的关断模式操作。应用输出电压在标称和较低水平之间循环，由次级侧关断模式控制器（如NCP435x次级关断模式控制器）定义。通过这种方式，可显著降低空载输入功耗。NCP13994实现了两种不同的关断模式控制方法：

主动开启关断模式控制：使用SKIP/REM引脚进行关断模式操作控制，该引脚内部连接到主动开启关断模式控制块，跳过模式阈值水平只能通过IC选项内部调整。当SKIP/REM引脚电压超过(V_{REMOFF})阈值时，激活关断模式；当电压低于(V{REM_ON})阈值时，恢复正常操作模式。
主动关闭关断模式控制：使用LLC FB引脚电压信息进行关断模式操作检测。SKIP/REM引脚内部连接到跳过模式块，作为(V{FB}) SKIP IN阈值电压调整引脚。当LLC FB引脚被拉低至(V{FB_REMOFF})阈值以下，且VCC引脚电压降至(V{CC_OFF})阈值以下时，启动关断模式操作。

3.6 PFC模式输出

NCP13994的PFC MODE引脚可根据实际应用的运行状态控制附加电路，主要用于控制PFC前级控制器的操作和基于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：在控制器启动前，PFC MODE输出引脚通过内部MOSFET开关下拉，以确保VCC引脚电流消耗最小，加快SMPS的启动和重启时间。在关断模式、保护模式和停止条件（VBULK引脚的BO事件除外）下，HV启动电流源在DSS模式下运行时，该引脚也会下拉，降低应用功耗。
调节电压状态：提供两种调节电平(V{REG1})和(V{REG2})。在正常运行时，输出(V{REG1})；在跳过或轻载模式下，可切换到(V{REG2})，以在正常运行时为PFC控制器提供全偏置，在轻载时保持有限偏置，降低PFC控制器的功耗。
高阻状态：在跳过或轻载模式下，PFC MODE引脚可处于高阻状态，以保持PFC控制器VCC电容器的剩余电荷。该引脚还可用于定义跳过阈值水平，或在应用调试期间使用。

3.7 导通时间调制和反馈回路块

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，并同时提供了固有的逐周期过流保护功能。其基本原理是使用导通时间比较器，通过将从电流检测输入电压导出的电压斜坡与反馈引脚电压（可进行分压或不分压）进行比较，来定义上开关的导通时间，该导通时间再用于下开关的导通周期。开关频率由实际初级电流和输出负载条件定义。为确保高抗噪声能力，实现了具有10ns最小导通时间分辨率的数字处理。导通时间比较器输出在Mupper开关开启后通过前沿消隐（(t{LEB})）进行消隐，以避免因HB引脚电压过渡产生的噪声导致导通时间调制误触发。电流检测输入的电压信号通过谐振槽电容器Cs对初级电流进行自然积分后外部准备，并通过电容分压器（(C{cs1})，(C{cs2})，(R{cs1})，(R{cs2})）分压后提供给CS输入。电容分压器的分压比定义了在最大反馈电压情况下达到的最大初级电流水平，即定义了给定大容量电压下转换器的最大输出功率。CS引脚是一个双极性输入，输入电压摆幅限制在±5V。该引脚信号还用于次级侧短路检测。为确保反馈光耦有足够的电压裕度，内部对FB引脚信号进行固定电压偏移处理。FB引脚信号还用于跳过模式操作检测、轻载模式检测、关断模式检测和过载/开路FB引脚故障检测等功能。内部上拉电阻确保当光耦LED偏置减小时，FB引脚电压升高，从而增加上开关的导通时间和输出功率。FB引脚具有精确的电压钳位，可在过载和启动期间限制内部FB信号。FB引脚信号在进入导通时间比较器输入之前，通过FB处理块进行处理，该块将FB信号按(K{FB})比率缩放，以限制CS输入的动态电压范围，并应用斜坡补偿信号、FB冻结或LFF。在设备启动期间，处理后的内部FB信号可被软启动发生器输出电压覆盖。为补偿最大输出功率钳位的变化，控制器中实现了线路前馈（LFF）系统，LFF信号与VBULK引脚电压成比例，不同的输入电压会改变内部FB信号，从而改变Mupper开关的导通时间，以在不同输入电压下在恒定负载下呈现相似的FB引脚电压。

3.8 过载和开路FB保护

通过监测FB引脚电压，NCP13994实现了过载保护和开路FB引脚检测功能。当FB引脚电压达到(V_{FBFAULT})水平时，触发FB故障比较器，启用故障定时器。故障事件确认的时间周期由预先选择的(t{FB_FAULTTIMER})参数定义。当FB故障条件消失或选择累积选项时，故障定时器复位。定时器计数的速度在计数上升和下降时可能不同。为克服FB输入可能的噪声导致的FB故障定时器误触发，在FB故障比较器后添加了数字噪声滤波器。当FB引脚电压达到(V{FB_FAULTPEAK})水平（选择了FB故障峰值功能）时，FB故障定时器持续时间减小，即定时器通过乘法(K{FB_PEAKFTMULT})加速。当FB故障事件被FB故障定时器确认时，控制器禁用驱动脉冲并进入保护模式，根据所选IC选项触发锁存或自动恢复操作。在自动恢复选项下，控制器添加自动恢复关断时间周期（(t{A-RECTIMER})），并通过软启动重新启动操作，避免了过载情况下应用的温度失控，同时在过载条件消失后仍可自动重启。具有锁存FB故障选项的IC将保持锁存关闭状态，由HV启动电流源在DSS模式下供电，直到VCC引脚达到(V{CC_RESET})阈值或HV引脚检测到线路事件，即用户将电源从市电断开。

3.9 二次短路检测与主次电流降低

之前通过FB引脚电压水平检测实现的保护系统可防止连续过载操作和/或开路FB引脚条件。在这种情况下，NCP13994的导通时间调制原理会自然限制初级电流。但当输出端子短路时，初级电流会增加。NCP13994实现了专用的二次侧短路保护系统，该系统比常规FB故障事件更快地关闭控制器，以限制功率级组件的应力。CS引脚信号由专用的CS故障比较器监测，每次CS故障比较器触发时，CS故障计数器递增。当CS故障计数器溢出时，控制器根据IC选项进入自动恢复或锁存保护模式。当CS故障比较器至少在(N_{CS_FAULTDEC})个Mupper即将到来的脉冲期间不活跃时，CS故障计数器复位，这种数字滤波提高了CS故障保护系统的抗噪声能力。CS故障比较器事件会使斜坡补偿（RC）增益增加一个增量(K{RC_GAININC})，当CS故障比较器事件不存在(N{CS_FAULT_DEC})个Mupper驱动脉冲时，RC增益通过减量降低到标称水平，减量等于增量，直到RC增益达到标称值或检测到新的CS故障比较器事件。