深入解析NCP1937：高效适配器电源控制的理想之选

在电子设备的电源设计领域，追求高效、紧凑且稳定的电源解决方案一直是工程师们的目标。onsemi推出的NCP1937组合式芯片，集成了功率因数校正（PFC）和准谐振反激功能，为适配器应用提供了一个出色的解决方案。本文将深入剖析NCP1937的特性、工作原理及应用要点。

文件下载：NCP1937-D.PDF

一、NCP1937概述

NCP1937是一款专为离线适配器应用优化的组合式临界模式（CrM）功率因数校正（PFC）和准谐振（QR）反激控制器。它集成了实现高效适配器所需的所有功能，尤其在无负载条件下能实现极低的输入功率。通过集成有源输入滤波电容放电电路，并在PFC禁用时断开PFC反馈电阻分压器，有效降低了待机输入功率。

二、关键特性分析

（一）通用特性

1. 宽VCC范围与过压保护：VCC范围从9V到30V，并内置过压保护，确保在不同电压环境下的稳定运行。
2. 高压启动与放电电路：集成高压启动电路和有源输入滤波电容放电电路，减少了外部启动组件的需求，降低了无负载功率，提高了系统效率。
3. 集成保护功能：包括高压欠压检测器、故障输入、内部温度关机等，增强了系统的可靠性和稳定性。
4. 功率节省模式：将电源电流消耗降低至70μA，适用于对输入功率要求极低的应用。

（二）PFC控制器特性

1. 临界导通模式：采用恒定导通时间控制（电压模式）和最大频率钳位，实现接近单位功率因数，同时有效控制频率。
2. 精准保护功能：具备精确的过压保护、双电平线路相关输出电压、快速线路/负载瞬态补偿、升压二极管短路保护等功能，确保PFC阶段的稳定运行。
3. 可调节禁用阈值：可根据输出功率调节PFC禁用阈值，优化系统效率。

（三）QR反激控制器特性

1. 谷值开关操作：采用谷值锁定电路，确保无噪声的谷值开关操作，减少开关损耗和电磁干扰。
2. 频率折返：具备最小频率钳位的频率折返功能，在待机模式下实现高性能，消除可听噪声。
3. 过载保护：提供基于定时器的过载保护（锁存或自动恢复选项）、可调节的过功率保护、绕组和输出二极管短路保护等功能，保障系统安全。

三、详细工作原理

（一）高压启动电路

NCP1937集成了两个可通过HV_X2和BO_X2引脚访问的高压启动电路，这些电路还用于输入滤波电容放电。启动调节器由一个恒流源组成，将电流从交流输入端子输送到VCC引脚的电源电容。当VCC低于VCC(inhibit)时，启动电流降低，当VCC充电到启动阈值VCC(on)时，启动调节器禁用，控制器启用。在功率节省模式下，启动电路根据VCC电压和相关引脚电压进行调节，以维持VCC在合适的范围内。

（二）线路电压检测

BO/X2引脚用于监测交流线路电压和检测欠压故障，同时提供输入滤波电容放电功能。根据检测到的输入电压范围，内部调整设备参数以优化系统性能。当VBO_X2高于欠压阈值VBO(start)且VCC达到VCC(on)时，反激阶段启用。通过比较VBO_X2与内部线路选择阈值VBO(lineselect)，控制器可切换“高线路”和“低线路”模式。

（三）输入滤波电容放电

为满足安全标准要求，NCP1937集成了有源输入滤波电容放电电路，在检测到交流线路电压消失时，通过启动电路将输入滤波电容的电荷转移到VCC电容，实现放电功能，避免了使用外部放电电阻带来的功率损耗。

（四）功率节省模式

NCP1937的功率节省模式（PSM）通过外部控制信号进行控制，当控制信号缺失时，设备进入PSM，此时电源电流消耗低于70μA。通过PSTimer引脚的电流源对电容充电，当电压超过VPS_in时进入PSM，低于VPS_out时退出PSM。在PSM模式下，启动电路维持VCC在合适范围，同时输入滤波电容放电电路继续工作。

（五）故障输入

Fault引脚用于故障检测，当引脚电压高于上故障阈值VFault(OVP)时，控制器锁存；低于下故障阈值VFault(OTP_in)时，控制器禁用。下故障阈值通常用于检测过热故障，上故障阈值用于检测过压故障。故障输入信号经过滤波处理，避免噪声触发故障检测。

（六）QR反激谷值锁定

NCP1937的准谐振反激控制器通过监测变压器辅助绕组电压来检测变压器去磁，在变压器去磁后，利用漏极电压振荡在谷值处开启功率开关，减少开关损耗和电磁干扰。专利待批的谷值锁定电路可消除谷值跳跃，使控制器在选定谷值后保持锁定，直到输出功率显著变化，从而在更宽的输出功率范围内实现QR操作，同时保持良好的效率和限制最大工作频率。

（七）VCO模式

当VQFB低于VHVCOD时，控制器进入VCO模式，在该模式下，峰值电流设定为VQILIM1*Ipeak(VCO)，工作频率与VQFB线性相关。最小频率钳位fVCO(MIN)防止操作进入可听范围，进一步降低输出功率会使控制器进入跳过操作。

（八）反激超时

在极端阻尼振荡情况下，QZCD比较器可能无法检测到谷值，NCP1937通过设置最大超时周期确保系统继续运行。在启动期间，为限制连续电流模式（CCM）操作，设置较长的超时周期。

（九）QR反激电流检测和过载保护

通过比较与开关电流成比例的斜坡和VQFB/KQFB，调制功率开关导通时间。电流信号通过前沿消隐（LEB）电路消除开关开启时的前沿尖峰和高频噪声。最大峰值电流比较器限制系统最大峰值电流，过载定时器对过载故障持续时间进行积分，根据不同选项可选择锁存或自动恢复。此外，还设置了额外的故障过流比较器，防止严重过载故障。

（十）QR反激软启动

软启动通过逐步增加内部参考VSSTART并与电流检测信号比较实现，软启动持续时间通常为4ms。在软启动期间，延长超时时间并屏蔽较低的锁存或OTP比较器信号。

（十一）QR反激过功率补偿

集成的过功率电路在PFC母线电压变化时提供相对恒定的输出功率，并减少VQFB在PFC阶段启用或禁用过渡期间的变化。通过对辅助绕组电压进行缩放并应用到QZCD引脚，实现过功率补偿。

（十二）功率因数校正

PFC阶段工作在临界导通模式（CrM），通过保持恒定导通时间实现高功率因数。PFC反馈电路通过跨导误差放大器调节PFC输出电压，在轻负载时禁用PFC阶段以降低输入功率。PFC误差放大器的输出通过PControl引脚进行补偿，PFC导通时间由VPControl控制，同时具备瞬态响应优化和过压保护功能。PFC电流检测和零电流检测通过组合的输入端子实现，同时具备短路保护和频率钳位功能。

四、PCB布局建议

在PCB布局方面，由于NCP1937控制两个独立的可变开关频率转换器，可能会出现异步开关，因此需要特别注意电流路径和接地模式，以避免两个转换器之间的相互干扰。建议将不同的接地进行明确标注，分为功率接地（PGNDx）和模拟或信号接地（AGNDx）。对于初级侧功率接地，要尽量隔离PFC和反激转换器的开关电流路径；对于初级侧模拟接地，采用星型接地配置，确保模拟信号的稳定性。同时，在QR电流检测信号上使用RC滤波器，以减少噪声干扰。

五、总结

NCP1937作为一款集成了PFC和QR反激功能的组合式控制器，具有丰富的特性和强大的功能，能够为适配器应用提供高效、稳定的电源解决方案。通过深入了解其工作原理和应用要点，并遵循合理的PCB布局建议，工程师们可以充分发挥NCP1937的优势，设计出性能卓越的电源系统。在实际应用中，你是否遇到过类似控制器的调试问题？你又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验。