NCP1397應用電路圖詳解

一、NCP1397芯片概述

NCP1397是安森美半導體（ON Semiconductor）推出的一款高性能諧振模式控制器，專為半橋LLC（串聯諧振、并聯諧振和LLC諧振）拓撲結構設計。該芯片集成了600V高壓懸浮驅動器，簡化了PCB布局，減少了外部元件數量，適用于平板顯示器電源、大功率AC/DC轉換器、計算機電源、工業和醫療設備電源以及離線電池充電器等領域。

NCP1397的主要特性包括：

• 高頻工作范圍：從50kHz到500kHz，開關頻率精度±3%。

• 高壓懸浮驅動：600V高壓懸浮驅動，適用于高電壓應用。

• 可調的最小開關頻率：通過外部電阻設置最小頻率，精度±3%。

• 可調的死區時間：死區時間范圍100ns到2us，通過外部電阻調節。

• 軟啟動功能：通過外部可調的軟啟動電容實現平滑啟動。

• 故障保護功能：包括自動恢復或故障鎖存、欠壓保護、光耦開路保護、短路保護等。

• Brown-Out保護：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，通過分頻后驅動半橋上下管，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)：軟啟動放電引腳，連接到軟啟動電容，在啟動之前或過載時復位軟啟動電容。

2. Fmax：最大頻率箝位引腳，通過電阻設置最大頻率。

3. Ctimer：計時器持續時間引腳，在存在故障時設置計時器持續時間。

4. Rt：最小頻率箝位引腳，連接到電阻，設置Vfb=1V時的最小震蕩頻率。

5. BO：Brown-Out檢測引腳，檢測低輸入電壓條件。當BO>Vlatch(4V)時，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：死區時間引腳，所接電阻調節死區時間。

8. Skip/Disable：跳過或禁用輸入引腳，如果VFB<0.3V，軟啟動發生；在skip模式，當FB沒有掉到小于0.3V時，IC硬重啟。

9. Fault：故障檢測輸入引腳，激活時，外部計時器開始倒計時，倒計時結束時關閉IC。同時軟啟動放電開關被激活，保護功率級電路。

10. GND：模擬地引腳。

11. Mlower：低邊驅動引腳。

12. VCC：供電電壓引腳，≤20V。

13. HB：半橋中點引腳。

14. Mupper：高端驅動引腳。

15. Vboot：Bootstrap上管浮動的VCC供電引腳。

三、NCP1397應用電路圖設計

1. 基本應用電路圖

NCP1397的基本應用電路圖包括半橋LLC諧振拓撲結構、驅動電路、反饋電路、保護電路等部分。以下是一個典型的應用電路圖示例：

（此處插入NCP1397基本應用電路圖）

電路圖說明：

• 半橋LLC諧振拓撲結構：

• 由兩個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。

• 變壓器T1的次級繞組通過整流和濾波電路輸出直流電壓。

• 驅動電路：

• NCP1397的Mupper和Mlower引腳分別驅動高端管Q1和低端管Q2。

• 高端驅動通過Bootstrap電路實現，Vboot引腳通過電容Cboot和二極管Dboot連接到半橋中點HB，為高端驅動提供浮動電源。

• 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。

• 當輸出電壓變化時，反饋電壓變化，通過調節NCP1397的震蕩頻率來穩定輸出電壓。

• 保護電路：

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

• 故障保護：通過Fault引腳檢測故障，當故障發生時，關閉IC，保護功率級電路。

• 軟啟動保護：通過CSS(dis)引腳和軟啟動電容Css實現平滑啟動，避免啟動時的電流沖擊。

2. 關鍵參數設計

（1）最小頻率和最大頻率設置

• 最小頻率（fs,min）：

• 通過Rt引腳連接的電阻Rmin設置最小頻率。

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

• 最大頻率（fs,max）：

• 通過Fmax引腳連接的電阻Rmax設置最大頻率。

• 計算公式：fs,max = 1 / (Rmax * Cosc)。

（2）死區時間設置

• 死區時間（td）：

• 通過DT引腳連接的電阻Rdt設置死區時間。

• 計算公式：td = K * Rdt，其中K為NCP1397內部的常數。

（3）軟啟動時間設置

• 軟啟動時間（tss）：

• 通過CSS(dis)引腳連接的軟啟動電容Css設置軟啟動時間。

• 計算公式：tss = Css * Vss / Iss，其中Vss為軟啟動電壓，Iss為軟啟動電流。

（4）反饋電路設計

• 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。

• 當輸出電壓變化時，反饋電壓變化，通過調節NCP1397的震蕩頻率來穩定輸出電壓。

• 反饋電壓范圍：1.1V到5.3V，對應VCO電壓范圍0V到2.3V。

3. 典型應用案例

（1）12V 240W車載充電器

• 電路圖：

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

• NCV1397版本達到車規級芯片，適用于低速車的車載充電器。

• 電路特點：

• 同步整流充電器方案，轉換效率高達94%。

• 帶有功率校正功能，輸入電壓范圍85-265VAC。

• 通過EMI/EMC測試，內附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街道照明應用。

• 電路特點：

• 采用諧振半橋拓撲結構，充分發揮零電壓開關（ZVS）的優勢。

• 內置高端和低端驅動器，支持可調節及精確的最低頻率。

• 提供極高能效，并具備多種故障保護特性。

4. 調試與優化

（1）調試步驟

• 步驟1：電源上電：

• 檢查輸入電壓是否在正常范圍內。

• 檢查NCP1397的VCC引腳電壓是否在正常范圍內（≤20V）。

• 步驟2：軟啟動測試：

• 檢查軟啟動電容Css是否連接正確。

• 觀察啟動時的波形，確保沒有電流沖擊。

• 步驟3：頻率調節測試：

• 通過調節Rt和Rmax電阻，設置最小頻率和最大頻率。

• 觀察頻率變化范圍是否符合設計要求。

• 步驟4：死區時間調節測試：

• 通過調節Rdt電阻，設置死區時間。

• 觀察上下管驅動波形，確保沒有直通現象。

• 步驟5：反饋電路調試：

• 檢查反饋電壓是否在正常范圍內（1.1V到5.3V）。

• 調節反饋電阻，確保輸出電壓穩定。

• 步驟6：保護電路測試：

• 模擬欠壓、過壓、短路等故障，檢查保護電路是否動作。

• 確保保護電路能夠及時關閉IC，保護功率級電路。

（2）優化建議

• 優化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。

• 優化PCB布局，減小高頻信號的干擾。

• 優化2：提高效率：

• 選擇低導通電阻的MOSFET，減小導通損耗。

• 優化諧振電感和諧振電容的設計，減小諧振損耗。

• 優化3：增強可靠性：

• 增加過溫保護電路，避免在高溫下工作。

• 優化故障保護電路，確保在故障發生時能夠及時關閉IC。

四、常見問題與解決方案

1. 上管驅動輸出異常高電平

• 問題描述：

• 在軟啟動過程中，驅動芯片的上管驅動輸出異常高電平，導致整個橋臂上下管直通，母線電壓越高，上下管直通的次數越多。

• 解決方案：

• 加大驅動電阻，減小驅動電流，避免上管驅動輸出異常高電平。

• 檢查Bootstrap電路是否正常工作，確保高端驅動有足夠的浮動電源。

2. 壞管現象

• 問題描述：

• 已量產的電路中，出現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：

• 減小驅動干擾，增大R56、R64等驅動電阻。

• 檢查驅動波形是否亂掉，優化驅動電路設計。

3. 頻率變化范圍過大

• 問題描述：

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

• 解決方案：

• 調整最大工作頻率，減小頻率變化范圍。

• 優化變壓器參數，減小漏感和諧振電容的影響。

4. 死區時間設置不當

• 問題描述：

• 死區時間加大凹槽掉的越深，減小死區時間會好一點，再加到就燒管子了。

• 解決方案：

• 通過反復調試反饋環路和NCP1397周圍電路，優化死區時間設置。

• 確保死區時間足夠大，避免上下管直通，同時也不能過大，影響效率。

五、總結

NCP1397是一款高性能諧振模式控制器，適用于半橋LLC諧振拓撲結構。其集成了600V高壓懸浮驅動器，簡化了PCB布局，減少了外部元件數量，廣泛應用于平板顯示器電源、大功率AC/DC轉換器、計算機電源、工業和醫療設備電源以及離線電池充電器等領域。

本文詳細介紹了NCP1397的引腳功能、基本應用電路圖設計、關鍵參數設計、典型應用案例、調試與優化以及常見問題與解決方案。通過合理的設計和調試，可以充分發揮NCP1397的性能，實現高效、穩定、可靠的電源轉換。