NCP1397應(yīng)用電路圖詳解

一、NCP1397芯片概述

NCP1397是安森美半導(dǎo)體（ON Semiconductor）推出的一款高性能諧振模式控制器，專為半橋LLC（串聯(lián)諧振、并聯(lián)諧振和LLC諧振）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該芯片集成了600V高壓懸浮驅(qū)動(dòng)器，簡化了PCB布局，減少了外部元件數(shù)量，適用于平板顯示器電源、大功率AC/DC轉(zhuǎn)換器、計(jì)算機(jī)電源、工業(yè)和醫(yī)療設(shè)備電源以及離線電池充電器等領(lǐng)域。

NCP1397的主要特性包括：

• 高頻工作范圍：從50kHz到500kHz，開關(guān)頻率精度±3%。

• 高壓懸浮驅(qū)動(dòng)：600V高壓懸浮驅(qū)動(dòng)，適用于高電壓應(yīng)用。

• 可調(diào)的最小開關(guān)頻率：通過外部電阻設(shè)置最小頻率，精度±3%。

• 可調(diào)的死區(qū)時(shí)間：死區(qū)時(shí)間范圍100ns到2us，通過外部電阻調(diào)節(jié)。

• 軟啟動(dòng)功能：通過外部可調(diào)的軟啟動(dòng)電容實(shí)現(xiàn)平滑啟動(dòng)。

• 故障保護(hù)功能：包括自動(dòng)恢復(fù)或故障鎖存、欠壓保護(hù)、光耦開路保護(hù)、短路保護(hù)等。

• Brown-Out保護(hù)：檢測低輸入電壓條件，避免在過低的輸入電壓下工作。

• VCO（壓控振蕩器）：頻率范圍100kHz到1MHz，通過分頻后驅(qū)動(dòng)半橋上下管，頻率范圍50kHz到500kHz。

二、NCP1397引腳功能說明

NCP1397采用雙列16腳封裝，各引腳功能如下：

1. CSS(dis)：軟啟動(dòng)放電引腳，連接到軟啟動(dòng)電容，在啟動(dòng)之前或過載時(shí)復(fù)位軟啟動(dòng)電容。

2. Fmax：最大頻率箝位引腳，通過電阻設(shè)置最大頻率。

3. Ctimer：計(jì)時(shí)器持續(xù)時(shí)間引腳，在存在故障時(shí)設(shè)置計(jì)時(shí)器持續(xù)時(shí)間。

4. Rt：最小頻率箝位引腳，連接到電阻，設(shè)置Vfb=1V時(shí)的最小震蕩頻率。

5. BO：Brown-Out檢測引腳，檢測低輸入電壓條件。當(dāng)BO>Vlatch(4V)時(shí)，完全鎖住IC。

6. FB：反饋引腳，向該腳注入電流，震蕩頻率上升，直到Fmax。

7. DT：死區(qū)時(shí)間引腳，所接電阻調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間。

8. Skip/Disable：跳過或禁用輸入引腳，如果VFB<0.3V，軟啟動(dòng)發(fā)生；在skip模式，當(dāng)FB沒有掉到小于0.3V時(shí)，IC硬重啟。

9. Fault：故障檢測輸入引腳，激活時(shí)，外部計(jì)時(shí)器開始倒計(jì)時(shí)，倒計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)關(guān)閉IC。同時(shí)軟啟動(dòng)放電開關(guān)被激活，保護(hù)功率級電路。

10. GND：模擬地引腳。

11. Mlower：低邊驅(qū)動(dòng)引腳。

12. VCC：供電電壓引腳，≤20V。

13. HB：半橋中點(diǎn)引腳。

14. Mupper：高端驅(qū)動(dòng)引腳。

15. Vboot：Bootstrap上管浮動(dòng)的VCC供電引腳。

三、NCP1397應(yīng)用電路圖設(shè)計(jì)

1. 基本應(yīng)用電路圖

NCP1397的基本應(yīng)用電路圖包括半橋LLC諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)電路、反饋電路、保護(hù)電路等部分。以下是一個(gè)典型的應(yīng)用電路圖示例：

（此處插入NCP1397基本應(yīng)用電路圖）

電路圖說明：

• 半橋LLC諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：

• 由兩個(gè)MOSFET（Q1和Q2）組成半橋，Q1為高端管，Q2為低端管。

• 諧振電感Lr和諧振電容Cr組成諧振回路，變壓器T1的初級繞組與諧振回路串聯(lián)。

• 變壓器T1的次級繞組通過整流和濾波電路輸出直流電壓。

• 驅(qū)動(dòng)電路：

• NCP1397的Mupper和Mlower引腳分別驅(qū)動(dòng)高端管Q1和低端管Q2。

• 高端驅(qū)動(dòng)通過Bootstrap電路實(shí)現(xiàn)，Vboot引腳通過電容Cboot和二極管Dboot連接到半橋中點(diǎn)HB，為高端驅(qū)動(dòng)提供浮動(dòng)電源。

• 反饋電路：

• 反饋電壓通過光耦U1和誤差放大器U2反饋到NCP1397的FB引腳。

• 當(dāng)輸出電壓變化時(shí)，反饋電壓變化，通過調(diào)節(jié)NCP1397的震蕩頻率來穩(wěn)定輸出電壓。

• 保護(hù)電路：

• Brown-Out保護(hù)：通過BO引腳檢測輸入電壓，當(dāng)輸入電壓過低時(shí)，鎖住IC，避免在過低的輸入電壓下工作。

• 故障保護(hù)：通過Fault引腳檢測故障，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，關(guān)閉IC，保護(hù)功率級電路。

• 軟啟動(dòng)保護(hù)：通過CSS(dis)引腳和軟啟動(dòng)電容Css實(shí)現(xiàn)平滑啟動(dòng)，避免啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊。

2. 關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

（1）最小頻率和最大頻率設(shè)置

• 最小頻率（fs,min）：

• 通過Rt引腳連接的電阻Rmin設(shè)置最小頻率。

• 計(jì)算公式：fs,min = 1 / (Rmin * Cosc)，其中Cosc為NCP1397內(nèi)部的振蕩電容。

• 最大頻率（fs,max）：

• 通過Fmax引腳連接的電阻Rmax設(shè)置最大頻率。

• 計(jì)算公式：fs,max = 1 / (Rmax * Cosc)。

（2）死區(qū)時(shí)間設(shè)置

• 死區(qū)時(shí)間（td）：

• 通過DT引腳連接的電阻Rdt設(shè)置死區(qū)時(shí)間。

• 計(jì)算公式：td = K * Rdt，其中K為NCP1397內(nèi)部的常數(shù)。

（3）軟啟動(dòng)時(shí)間設(shè)置

• 軟啟動(dòng)時(shí)間（tss）：

• 通過CSS(dis)引腳連接的軟啟動(dòng)電容Css設(shè)置軟啟動(dòng)時(shí)間。

• 計(jì)算公式：tss = Css * Vss / Iss，其中Vss為軟啟動(dòng)電壓，Iss為軟啟動(dòng)電流。

（4）反饋電路設(shè)計(jì)

• 反饋電壓（Vfb）：

• 反饋電壓通過光耦U1和誤差放大器U2反饋到NCP1397的FB引腳。

• 當(dāng)輸出電壓變化時(shí)，反饋電壓變化，通過調(diào)節(jié)NCP1397的震蕩頻率來穩(wěn)定輸出電壓。

• 反饋電壓范圍：1.1V到5.3V，對應(yīng)VCO電壓范圍0V到2.3V。

3. 典型應(yīng)用案例

（1）12V 240W車載充電器

• 電路圖：

• 采用NCP1397+NCP1605+NCP4303方案，12V 20A輸出。

• NCV1397版本達(dá)到車規(guī)級芯片，適用于低速車的車載充電器。

• 電路特點(diǎn)：

• 同步整流充電器方案，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)94%。

• 帶有功率校正功能，輸入電壓范圍85-265VAC。

• 通過EMI/EMC測試，內(nèi)附BOM和用料。

（2）街道照明高能效LED電源

• 電路圖：

• 基于NCP1607PFC控制器和NCP1397雙電感加單電容（LLC）半橋諧振控制器的LED電源方案。

• 適用于功率在50到300W范圍的高能效LED街道照明應(yīng)用。

• 電路特點(diǎn)：

• 采用諧振半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮零電壓開關(guān)（ZVS）的優(yōu)勢。

• 內(nèi)置高端和低端驅(qū)動(dòng)器，支持可調(diào)節(jié)及精確的最低頻率。

• 提供極高能效，并具備多種故障保護(hù)特性。

4. 調(diào)試與優(yōu)化

（1）調(diào)試步驟

• 步驟1：電源上電：

• 檢查輸入電壓是否在正常范圍內(nèi)。

• 檢查NCP1397的VCC引腳電壓是否在正常范圍內(nèi)（≤20V）。

• 步驟2：軟啟動(dòng)測試：

• 檢查軟啟動(dòng)電容Css是否連接正確。

• 觀察啟動(dòng)時(shí)的波形，確保沒有電流沖擊。

• 步驟3：頻率調(diào)節(jié)測試：

• 通過調(diào)節(jié)Rt和Rmax電阻，設(shè)置最小頻率和最大頻率。

• 觀察頻率變化范圍是否符合設(shè)計(jì)要求。

• 步驟4：死區(qū)時(shí)間調(diào)節(jié)測試：

• 通過調(diào)節(jié)Rdt電阻，設(shè)置死區(qū)時(shí)間。

• 觀察上下管驅(qū)動(dòng)波形，確保沒有直通現(xiàn)象。

• 步驟5：反饋電路調(diào)試：

• 檢查反饋電壓是否在正常范圍內(nèi)（1.1V到5.3V）。

• 調(diào)節(jié)反饋電阻，確保輸出電壓穩(wěn)定。

• 步驟6：保護(hù)電路測試：

• 模擬欠壓、過壓、短路等故障，檢查保護(hù)電路是否動(dòng)作。

• 確保保護(hù)電路能夠及時(shí)關(guān)閉IC，保護(hù)功率級電路。

（2）優(yōu)化建議

• 優(yōu)化1：減小EMI干擾：

• 在輸入端和輸出端增加濾波電路，減小EMI干擾。

• 優(yōu)化PCB布局，減小高頻信號的干擾。

• 優(yōu)化2：提高效率：

• 選擇低導(dǎo)通電阻的MOSFET，減小導(dǎo)通損耗。

• 優(yōu)化諧振電感和諧振電容的設(shè)計(jì)，減小諧振損耗。

• 優(yōu)化3：增強(qiáng)可靠性：

• 增加過溫保護(hù)電路，避免在高溫下工作。

• 優(yōu)化故障保護(hù)電路，確保在故障發(fā)生時(shí)能夠及時(shí)關(guān)閉IC。

四、常見問題與解決方案

1. 上管驅(qū)動(dòng)輸出異常高電平

• 問題描述：

• 在軟啟動(dòng)過程中，驅(qū)動(dòng)芯片的上管驅(qū)動(dòng)輸出異常高電平，導(dǎo)致整個(gè)橋臂上下管直通，母線電壓越高，上下管直通的次數(shù)越多。

• 解決方案：

• 加大驅(qū)動(dòng)電阻，減小驅(qū)動(dòng)電流，避免上管驅(qū)動(dòng)輸出異常高電平。

• 檢查Bootstrap電路是否正常工作，確保高端驅(qū)動(dòng)有足夠的浮動(dòng)電源。

2. 壞管現(xiàn)象

• 問題描述：

• 已量產(chǎn)的電路中，出現(xiàn)上管的圖騰柱三極管炸飛，MOS管也損壞了，但是表面看不出來。

• 解決方案：

• 減小驅(qū)動(dòng)干擾，增大R56、R64等驅(qū)動(dòng)電阻。

• 檢查驅(qū)動(dòng)波形是否亂掉，優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。

3. 頻率變化范圍過大

• 問題描述：

• 在空載或是輕載時(shí)，MOSFET半橋中點(diǎn)波形不正常，芯片上邊驅(qū)動(dòng)的波形也有凹槽，這種凹槽隨著帶載的增加慢慢消失。

• 解決方案：

• 調(diào)整最大工作頻率，減小頻率變化范圍。

• 優(yōu)化變壓器參數(shù)，減小漏感和諧振電容的影響。

4. 死區(qū)時(shí)間設(shè)置不當(dāng)

• 問題描述：

• 死區(qū)時(shí)間加大凹槽掉的越深，減小死區(qū)時(shí)間會(huì)好一點(diǎn)，再加到就燒管子了。

• 解決方案：

• 通過反復(fù)調(diào)試反饋環(huán)路和NCP1397周圍電路，優(yōu)化死區(qū)時(shí)間設(shè)置。

• 確保死區(qū)時(shí)間足夠大，避免上下管直通，同時(shí)也不能過大，影響效率。

五、總結(jié)

NCP1397是一款高性能諧振模式控制器，適用于半橋LLC諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其集成了600V高壓懸浮驅(qū)動(dòng)器，簡化了PCB布局，減少了外部元件數(shù)量，廣泛應(yīng)用于平板顯示器電源、大功率AC/DC轉(zhuǎn)換器、計(jì)算機(jī)電源、工業(yè)和醫(yī)療設(shè)備電源以及離線電池充電器等領(lǐng)域。

本文詳細(xì)介紹了NCP1397的引腳功能、基本應(yīng)用電路圖設(shè)計(jì)、關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)、典型應(yīng)用案例、調(diào)試與優(yōu)化以及常見問題與解決方案。通過合理的設(shè)計(jì)和調(diào)試，可以充分發(fā)揮NCP1397的性能，實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定、可靠的電源轉(zhuǎn)換。