NCP1397应用电路图详解

一、NCP1397芯片概述

NCP1397是安森美半导体（ON Semiconductor）推出的一款高性能谐振模式控制器，专为半桥LLC（串联谐振、并联谐振和LLC谐振）拓扑结构设计。该芯片集成了600V高压悬浮驱动器，简化了PCB布局，减少了外部元件数量，适用于平板显示器电源、大功率AC/DC转换器、计算机电源、工业和医疗设备电源以及离线电池充电器等领域。

NCP1397的主要特性包括：

• 高频工作范围：从50kHz到500kHz，开关频率精度±3%。

• 高压悬浮驱动：600V高压悬浮驱动，适用于高电压应用。

• 可调的最小开关频率：通过外部电阻设置最小频率，精度±3%。

• 可调的死区时间：死区时间范围100ns到2us，通过外部电阻调节。

• 软启动功能：通过外部可调的软启动电容实现平滑启动。

• 故障保护功能：包括自动恢复或故障锁存、欠压保护、光耦开路保护、短路保护等。

• Brown-Out保护：检测低输入电压条件，避免在过低的输入电压下工作。

• VCO（压控振荡器）：频率范围100kHz到1MHz，通过分频后驱动半桥上下管，频率范围50kHz到500kHz。

二、NCP1397引脚功能说明

NCP1397采用双列16脚封装，各引脚功能如下：

1. CSS(dis)：软启动放电引脚，连接到软启动电容，在启动之前或过载时复位软启动电容。

2. Fmax：最大频率箝位引脚，通过电阻设置最大频率。

3. Ctimer：计时器持续时间引脚，在存在故障时设置计时器持续时间。

4. Rt：最小频率箝位引脚，连接到电阻，设置Vfb=1V时的最小震荡频率。

5. BO：Brown-Out检测引脚，检测低输入电压条件。当BO>Vlatch(4V)时，完全锁住IC。

6. FB：反馈引脚，向该脚注入电流，震荡频率上升，直到Fmax。

7. DT：死区时间引脚，所接电阻调节死区时间。

8. Skip/Disable：跳过或禁用输入引脚，如果VFB<0.3V，软启动发生；在skip模式，当FB没有掉到小于0.3V时，IC硬重启。

9. Fault：故障检测输入引脚，激活时，外部计时器开始倒计时，倒计时结束时关闭IC。同时软启动放电开关被激活，保护功率级电路。

10. GND：模拟地引脚。

11. Mlower：低边驱动引脚。

12. VCC：供电电压引脚，≤20V。

13. HB：半桥中点引脚。

14. Mupper：高端驱动引脚。

15. Vboot：Bootstrap上管浮动的VCC供电引脚。

三、NCP1397应用电路图设计

1. 基本应用电路图

NCP1397的基本应用电路图包括半桥LLC谐振拓扑结构、驱动电路、反馈电路、保护电路等部分。以下是一个典型的应用电路图示例：

（此处插入NCP1397基本应用电路图）

电路图说明：

• 半桥LLC谐振拓扑结构：

• 由两个MOSFET（Q1和Q2）组成半桥，Q1为高端管，Q2为低端管。

• 谐振电感Lr和谐振电容Cr组成谐振回路，变压器T1的初级绕组与谐振回路串联。

• 变压器T1的次级绕组通过整流和滤波电路输出直流电压。

• 驱动电路：

• NCP1397的Mupper和Mlower引脚分别驱动高端管Q1和低端管Q2。

• 高端驱动通过Bootstrap电路实现，Vboot引脚通过电容Cboot和二极管Dboot连接到半桥中点HB，为高端驱动提供浮动电源。

• 反馈电路：

• 反馈电压通过光耦U1和误差放大器U2反馈到NCP1397的FB引脚。

• 当输出电压变化时，反馈电压变化，通过调节NCP1397的震荡频率来稳定输出电压。

• 保护电路：

• Brown-Out保护：通过BO引脚检测输入电压，当输入电压过低时，锁住IC，避免在过低的输入电压下工作。

• 故障保护：通过Fault引脚检测故障，当故障发生时，关闭IC，保护功率级电路。

• 软启动保护：通过CSS(dis)引脚和软启动电容Css实现平滑启动，避免启动时的电流冲击。

2. 关键参数设计

（1）最小频率和最大频率设置

• 最小频率（fs,min）：

• 通过Rt引脚连接的电阻Rmin设置最小频率。

• 计算公式：fs,min = 1 / (Rmin * Cosc)，其中Cosc为NCP1397内部的振荡电容。

• 最大频率（fs,max）：

• 通过Fmax引脚连接的电阻Rmax设置最大频率。

• 计算公式：fs,max = 1 / (Rmax * Cosc)。

（2）死区时间设置

• 死区时间（td）：

• 通过DT引脚连接的电阻Rdt设置死区时间。

• 计算公式：td = K * Rdt，其中K为NCP1397内部的常数。

（3）软启动时间设置

• 软启动时间（tss）：

• 通过CSS(dis)引脚连接的软启动电容Css设置软启动时间。

• 计算公式：tss = Css * Vss / Iss，其中Vss为软启动电压，Iss为软启动电流。

（4）反馈电路设计

• 反馈电压（Vfb）：

• 反馈电压通过光耦U1和误差放大器U2反馈到NCP1397的FB引脚。

• 当输出电压变化时，反馈电压变化，通过调节NCP1397的震荡频率来稳定输出电压。

• 反馈电压范围：1.1V到5.3V，对应VCO电压范围0V到2.3V。

3. 典型应用案例

（1）12V 240W车载充电器

• 电路图：

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

• NCV1397版本达到车规级芯片，适用于低速车的车载充电器。

• 电路特点：

• 同步整流充电器方案，转换效率高达94%。

• 带有功率校正功能，输入电压范围85-265VAC。

• 通过EMI/EMC测试，内附BOM和用料。

（2）街道照明高能效LED电源

• 电路图：

• 基于NCP1607PFC控制器和NCP1397双电感加单电容（LLC）半桥谐振控制器的LED电源方案。

• 适用于功率在50到300W范围的高能效LED街道照明应用。

• 电路特点：

• 采用谐振半桥拓扑结构，充分发挥零电压开关（ZVS）的优势。

• 内置高端和低端驱动器，支持可调节及精确的最低频率。

• 提供极高能效，并具备多种故障保护特性。

4. 调试与优化

（1）调试步骤

• 步骤1：电源上电：

• 检查输入电压是否在正常范围内。

• 检查NCP1397的VCC引脚电压是否在正常范围内（≤20V）。

• 步骤2：软启动测试：

• 检查软启动电容Css是否连接正确。

• 观察启动时的波形，确保没有电流冲击。

• 步骤3：频率调节测试：

• 通过调节Rt和Rmax电阻，设置最小频率和最大频率。

• 观察频率变化范围是否符合设计要求。

• 步骤4：死区时间调节测试：

• 通过调节Rdt电阻，设置死区时间。

• 观察上下管驱动波形，确保没有直通现象。

• 步骤5：反馈电路调试：

• 检查反馈电压是否在正常范围内（1.1V到5.3V）。

• 调节反馈电阻，确保输出电压稳定。

• 步骤6：保护电路测试：

• 模拟欠压、过压、短路等故障，检查保护电路是否动作。

• 确保保护电路能够及时关闭IC，保护功率级电路。

（2）优化建议

• 优化1：减小EMI干扰：

• 在输入端和输出端增加滤波电路，减小EMI干扰。

• 优化PCB布局，减小高频信号的干扰。

• 优化2：提高效率：

• 选择低导通电阻的MOSFET，减小导通损耗。

• 优化谐振电感和谐振电容的设计，减小谐振损耗。

• 优化3：增强可靠性：

• 增加过温保护电路，避免在高温下工作。

• 优化故障保护电路，确保在故障发生时能够及时关闭IC。

四、常见问题与解决方案

1. 上管驱动输出异常高电平

• 问题描述：

• 在软启动过程中，驱动芯片的上管驱动输出异常高电平，导致整个桥臂上下管直通，母线电压越高，上下管直通的次数越多。

• 解决方案：

• 加大驱动电阻，减小驱动电流，避免上管驱动输出异常高电平。

• 检查Bootstrap电路是否正常工作，确保高端驱动有足够的浮动电源。

2. 坏管现象

• 问题描述：

• 已量产的电路中，出现上管的图腾柱三极管炸飞，MOS管也损坏了，但是表面看不出来。

• 解决方案：

• 减小驱动干扰，增大R56、R64等驱动电阻。

• 检查驱动波形是否乱掉，优化驱动电路设计。

3. 频率变化范围过大

• 问题描述：

• 在空载或是轻载时，MOSFET半桥中点波形不正常，芯片上边驱动的波形也有凹槽，这种凹槽随着带载的增加慢慢消失。

• 解决方案：

• 调整最大工作频率，减小频率变化范围。

• 优化变压器参数，减小漏感和谐振电容的影响。

4. 死区时间设置不当

• 问题描述：

• 死区时间加大凹槽掉的越深，减小死区时间会好一点，再加到就烧管子了。

• 解决方案：

• 通过反复调试反馈环路和NCP1397周围电路，优化死区时间设置。

• 确保死区时间足够大，避免上下管直通，同时也不能过大，影响效率。

五、总结

NCP1397是一款高性能谐振模式控制器，适用于半桥LLC谐振拓扑结构。其集成了600V高压悬浮驱动器，简化了PCB布局，减少了外部元件数量，广泛应用于平板显示器电源、大功率AC/DC转换器、计算机电源、工业和医疗设备电源以及离线电池充电器等领域。

本文详细介绍了NCP1397的引脚功能、基本应用电路图设计、关键参数设计、典型应用案例、调试与优化以及常见问题与解决方案。通过合理的设计和调试，可以充分发挥NCP1397的性能，实现高效、稳定、可靠的电源转换。