NCP1399 — 03 典型应用与设计计算

依据 NCP1399/D 图 1~3（典型应用）、§10.2（Brown-out eq.1~4）、§10.4~10.6（off 模式/PFC/电流检测）、§6（电气特性）。 体例对标 TI“Application and Implementation”：Design Requirements 表 → 编号设计步骤（每步：公式→代入→结果→工程含义）→ 选型表。 标注约定：DS 数值直接引用；谐振腔通用公式为业界标准流程；CS 分压、FB 光耦等 DS 未逐步给出流程的项按本库示例推导并标注。

本篇总结

1. NCP1399 的设计 = 标准 LLC 谐振腔 + 六条信号链（CS 分压、FB 光耦、BO 分压、OVP/OTP 网络、待机链路、PFC 联动）+ 一次“选后缀”决策（tTON_MAX/保护策略/跳模式参数）。与别的 LLC 控制器相比，新增的心智负担几乎全在 CS 分压网络——它是功率上限、OCP、短路保护三个阈值的共同源头。
2. 本篇用一台 240 W TV 电源（24 V/10 A，400 V 母线，NCP1399AC）把 10 个步骤全部算一遍：谐振腔 Lr=57 µH / Cr=20 nF / Lm=342 µH（fr≈150 kHz、m=6、Q=0.4），CS 分压比 1/69，BO 分压 51 kΩ/13.3 MΩ。
3. 电流模式的特有设计点：CS 分压比按“满载 vCr 交流幅值 → 1.7~2.1 V”映射，同时满足三个约束——FB 钳位内调制有余量（1.21 倍）、CS 故障阈值有裕量（1.55 倍）、失谐保护不误动。
4. 没有频率设定脚、没有 SS 电容脚：fmin 由 tTON_MAX 选项（AC = 11.2 µs → 约 41.7 kHz）确定，fmax 由谐振腔与 10 ns 分辨率确定，软启动全自动——“设频率”这个动作被替换成“选后缀 + 设计谐振腔”。
5. FB 光耦链路按“满载灌电流 136 µA / 空载 247 µA”预算 CTR 与 LED 电流——FB 中段工作（2~3 V）给环路留调节余量，这是所有 LLC 光耦链路的通用功课。
6. Brown-out 分压用 eq.3/eq.4 一次解出（损耗仅 12 µW）——注意上臂电阻的分压与耐压两件事：400 V 要 4 只 1206 串联分担。
7. 待机链路的三个设计动作：P ON/OFF 分压定轻载关 PFC 点、PFC MODE 接 PFC VCC+高压开关、Off 模式按 A/B 后缀接 SKIP/REM——机理在 02 §6/7，本篇给接法与算例。

1. Design Requirements（设计需求表：240 W TV 电源）

典型应用对照（DS 图 1~3）：图 1 无 PFC（WLLC）；图 2 带 PFC + Active OFF；图 3 带 PFC + Active ON——本例按图 2。

读图要点：初级侧只有 IC+两管+谐振腔（600 V 驱动集成的直接收益）；LLC CS 从谐振电容下端取分压、LLC FB 接次级光耦、VBULK/PFC FB 接母线分压并与 PFC 侧共享；PFC MODE 一路给 PFC 控制器供电、一路管母线分压器的高压开关。

2. 第 1 步：谐振腔设计（Lr / Cr / Lm）

标准 LLC 流程（公式为业界通用，代入为本例）：

• 匝比：fr 处增益≈1，半桥摆幅 ±Vbulk/2 = 200 V → NPS = 200/(24+0.7) ≈ 8.1（0.7 V 为整流压降）。
• 等效负载：Rac = (8/π²)·NPS²·(Vout+Vd)²/Pout = 0.8106×8.1²×24.7²/240 = 0.8106×65.6×610/240 ≈ 135 Ω。
• 取品质因数 Q = 0.4（满载；取小一点换低开关损耗，取大一点换小环流——权衡见横评）、电感比 m = Lm/Lr = 6（m 大→磁化电流小、增益范围窄；m 小反之）。
• 联立 fr = 1/(2π√(Lr·Cr)) 与 Q = √(Lr/Cr)/Rac：
  • √(Lr/Cr) = Q·Rac = 0.4×135 = 54 Ω → Lr/Cr = 2926
  • Lr·Cr = 1/(2π×150 k)² = 1.126×10⁻¹²
  • → Lr = 57.4 µH，Cr = 19.6 nF，Lm = 6×Lr = 344 µH
• 标称归整：Cr = 20 nF（10 nF/630 V 薄膜 ×2），Lr = 57 µH，Lm = 342 µH → fr = 149 kHz，Q = 0.395 ✓。

工程含义：vCr 直流分量 = Vbulk/2 = 200 V，交流峰值≈120 V（见第 3 步）→ vCr 摆动 80~320 V，Cr 用 630 V 薄膜电容裕量约 2 倍，合适。

3. 第 2 步：匝比、变压器与低母线增益校核

• 匝比落地：NPS = 8.1 → 常用 32:4（8:1）偏小、33:4（8.25:1）偏大——取 32.5:4 等效（或按磁芯窗口微调，本例按 8.1 继续计算〔示例〕）。
• 低母线增益校核（PFC 关断场景，陷阱 6/陷阱 8 的定量依据）：PFC 关断后母线跌到整流峰值附近，按 BO 关断点 260 V 计：
  • 所需增益 M = NPS×(Vout+Vd)/(Vbulk/2) = 8.1×24.7/130 ≈ 1.54；
  • m=6、Q=0.4 的 LLC 峰值增益按业界通用曲线约 1.6~1.8〔近似值，精确值用基波分析法或 onsemi 设计工具算〕；
  • 结论：1.54 < 1.6，有约 10 % 裕量 → PFC 关断后 LLC 仍能稳压，但裕量不大——若把 BO 关断点设得更低或负载更重，必须重算此步。
• 工程含义：这一步把“PFC 何时可以关”（第 9 步的 P ON/OFF 设定）与谐振腔能力绑定——两个部门各定各的，样机就会在轻载/低母线交叉点误用。

4. 第 3 步：CS 分压网络（电流模式的核心新增设计点）

目标：把满载谐振电容交流幅值映射进导通时间调制区间，同时让三个阈值排队有序：满载工作点 < FB 钳位上限（2.1 V）< CS 故障阈值（2.7 V，AC 选项）。

• 满载初级电流峰值（业界常用正弦近似，磁化与负载分量正交合成）：
  • I₁,pk = Pin/(V₁,pk/√2)，Pin = 240/0.93 = 258 W，V₁,pk = (4/π)×200 = 254.6 V → I₁,pk ≈ 2.03 A
  • Im,pk = (Vbulk/2)·(Tsw/4)/Lm = 200×1.667 µs/342 µH ≈ 0.98 A
  • I_Lr,pk ≈ √(2.03²+0.98²) ≈ 2.25 A
• 谐振电容交流峰值：vCr,AC = I_Lr,pk/(2π·fr·Cr) = 2.25/(2π×150 k×20 nF) ≈ 120 V。
• 分压比：目标满载 vCS ≈ 1.7 V（调制中段、离 2.1 V 钳位有余量）→ 比 = 120/1.7 ≈ 70 → 取 Ccs1 = 1 nF、Ccs2 = 68 nF（衰减 1/69，均为 E12 标称）。
• 校核三条：
  1. 满载工作点：vCS,pk = 120/69 = 1.74 V；
  2. FB 钳位上限对应的最大每周期电流：内部基准 = VFB_CLAMP/KFB − VCS_OFFSET = 4.6/2 − 0.2 = 2.1 V → vCr = 2.1×69 = 145 V → I_Lr,pk = 145×2π×150 k×20 nF = 2.73 A ≈ 1.21 倍满载——调制范围盖过满载、又被钳住，过载时导通时间顶死、频率触底，保护顺位接管 ✓；
  3. CS 故障阈值：2.7 V ↔ 1.55 倍满载电流（5 脉冲确认）——真短路时电流远超此值，快速进入保护 ✓。
• 直流工作点：容性分压器只传交流，Rcs1/Rcs2 给 CS 节点提供直流通路、把直流钉在 0 V（内部再叠加约 0.2 V 偏移抬频率下限）；取值远大于分压器在 fr 处的阻抗以免扰动交流分压（拓扑细节 DS 未展开，接法按业界惯例，阻值实测标定）。

工程含义：改分压比 = 改功率上限 + 改 OCP 点——这是电流模式方案里唯一“一处改动三处生效”的元件，务必用 1~2 % 精度、C0G/薄膜材质（Ccs1 承受 ±120 V 交流，选 630 V 级）。

5. 第 4 步：tTON_MAX 选项与频率边界

• 满载导通时间：ton = 1/(2·fr) − tdt ≈ 3.35 µs − 0.6 µs（实测自动死区典型值）≈ 2.7 µs ≪ 11.2 µs（AC 选项 tTON_MAX）✓。
• 最低工作频率由 tTON_MAX 定义（DS §10.9：“控制器最低工作频率由此定义”）： fmin ≈ 1/[2×(11.2+0.8) µs] = 41.7 kHz。
• 工程含义：41.7 kHz 时 LLC 增益余量大——掉入此频率意味着“增益告罄”（母线过低/负载过重），TON_MAX 故障或失谐保护随后接管。若需要更低 fmin（如保持时间要求），选 tTON_MAX = 16.3 µs 的 AF/AJ/AS/AT（fmin≈29 kHz），但 AS/AJ 已停产、AF/AT 是全锁定保护——选项之间是连锁的，选型时一次想全。
• fmax 无设定脚：由谐振腔与 10 ns 分辨率决定；轻载频率上限实际由跳模式阈值间接控制（FB 低→ton 短→频率高→到阈值就跳）。
• 与保持时间的联动：掉电保持期母线从 400 V 下滑，LLC 靠降频提增益维持输出——允许的母线下滑深度由 fmin（=tTON_MAX）和峰值增益共同决定。要求更长保持时间→加大母线电容或选 16.3 µs 后缀（fmin≈29 kHz）→二者都占成本，先算清需求再动（业界流程）。

6. 第 5 步：自举网络（600 V 集成驱动）

• 自举电容：Cboot ≥ (Qg + IBOOT1·T)/ΔV。代入：Qg = 60 nC（650 V/20 A 级超结管示例）、IBOOT1 = 75 µA typ、T = 24 µs（fmin 41.7 kHz 的周期）、ΔV = 0.5 V → Cboot ≥ (60 n+1.8 n)/0.5 = 124 nF → 取 220 nF（对 HB dV/dt 位移电流抽取项留裕量〔推断项〕）。
• 自举电阻：Rboot = 4.7 Ω（DS 下限 3.3 Ω 之上留阻尼余量）——阻 HB 负跳变的冲击充电电流、阻尼振铃保护 dV/dt 传感器（02 §10）。
• 自举二极管：600 V 快恢复档（如 UF4007 类〔业界惯例，DS 未指定〕）。
• 校核：跳模式每突发开头用 t1st_MLOWER_SKIP（AC = 1.9 µs typ）先开 Mlower 补电——突发间隔长也不怕自举漏电（IBOOT1 仅 75 µA）✓。

7. 第 6 步：VCC 与辅助绕组

• 辅助绕组：稳态目标 17 V（VCC_ON = 15.8 V typ 之上 1.2 V）；空载用齐纳/稳压管钳到 <20 V 绝对额定〔业界惯例〕。若整机辅助架构只有 12 V，选 AL/AM/AR/AS 后缀（VCC_ON = 12.0 V）。
• VCC 电容 47 µF，两道考题：
  1. 启动充电：t = C·V/I = 47 µF×15.8 V/9 mA = 83 ms < VCC_ON_BLANK 125 ms ✓（消隐期内完成首次故障检查）；
  2. 跳模式跌落：深跳模式突发间隔 100 ms 时 ΔV = ICC_SKIP×t/C = 750 µA×100 ms/47 µF = 1.6 V（17→15.4 V，远高于 VCC_OFF 9.5 V）✓——DS 情形 3 特别警告 VCC 跌破 VCC_OFF 会让 By 版重启/Ay 版误入 off（04 陷阱 2）。

8. 第 7 步：Brown-out 分压（eq.3 / eq.4 完整代入）

目标：Vbulk_ON = 330 V、Vbulk_OFF = 260 V；VBO = 1.000 V、VBOhyst = 12 mV、IBO = 5.0 µA（均 typ）。

• eq.3：Rlower = [Vbulk_ON·VBO/Vbulk_OFF − VBO − VBOhyst] / [IBO·(1−VBO/Vbulk_OFF)] = [330×1.000/260 − 1.000 − 0.012] / [5 µA×(1−1.000/260)] = [1.2692 − 1.012] / [5 µA×0.99615] = 0.2572/4.981 µA = 51.6 kΩ → 取 51 kΩ
• eq.4：Rupper = Rlower×(Vbulk_OFF − VBO)/VBO = 51.6 k×259 = 13.4 MΩ → 取 13.3 MΩ（10 M+3.3 M 串联）
• 复核（实取 51 k/13.3 M）：关断点 Vbulk_OFF = 1.000×(13.351/0.051) = 262 V ✓；开启点按 eq.1 解得 ≈333 V ✓（偏差 <2 %，由电阻容差主导，量产按实测微调）。
• 两个耐压/功耗细节：① 分压器损耗 400²/13.35 M ≈ 12 µW（BO 迟滞电流仅 5 µA 才允许兆欧级上臂——这就是 eq.1 存在的理由）；② 400 V 加在 13.3 MΩ 上必须分 4 段以上：单只 1206 额定 200 V，取 4×3.3 MΩ（每只约 100 V）〔电阻耐压为器件常识，DS 未规定〕。
• 抗噪配套组合：靠近 IC 的百 pF 级小电容（DS 建议）+ 20 ms 内部滤波 + 分压器远离 HB/驱动走线。

9. 第 8 步：OVP/OTP 网络（脚 7）

• NTC 选 10 kΩ（B=3950）接地，IOTP = 95 µA typ 偏置，三点校核：
  1. 25 ℃：V = 95 µA×10 kΩ = 0.95 V ∈ 无故障窗口（0.8~2.5 V）✓；
  2. OTP 动作点 90 ℃：R_NTC = 10 k×exp[3950×(1/363.15−1/298.15)] ≈ 934 Ω → V = 0.089 V < 0.76 V（VOTP max）✓；
  3. 冷态 −40 ℃：R_NTC ≈ 402 kΩ → 无钳位时 38 V，软钳位按在 2.4 V < 2.65 V（VOVP max），不误报 OVP ✓（钳位机理见 02 §5）。
• 次级 OVP（28.8 V 触发）：光耦晶体管从 5 V 辅助电经 470 Ω 拉脚 7——灌入 (5−2.7)/470 ≈ 4.9 mA ≫ 钳位 1 mA 能力 → OVP 可靠触发 ✓。
• 滤波电容 10 nF（≤47 nF DS 硬限）：IOTP_BOOST = 190 µA 下充到 1 V 只要 53 µs，启动 tBLANK_OTP（AC = 16 ms）远盖得住 ✓。

10. 第 9 步：控制与待机信号链（FB 光耦、P ON/OFF、PFC MODE、SKIP/REM）

10.1 FB 光耦链路（环路入口的电流预算）

• FB 由内部 RFB = 18 kΩ typ 上拉到 VFB_REF = 4.95 V typ，光耦集电极开路下拉——光耦链路的电流预算：
  • 满载工作点取 FB ≈ 2.5 V（中段）：灌电流 = (4.95−2.5)/18 k ≈ 136 µA；
  • 空载要压到跳模式阈值 0.5 V 以下：(4.95−0.5)/18 k ≈ 247 µA；
  • 取光耦 CTR ≥ 100 %（如 PC817 B 档〔业界惯例〕）→ LED 电流需 1.4~2.5 mA——TL431 分流能力轻松覆盖 ✓。
• 工程含义：FB 中段工作（2~3 V）两侧都留余量——偏上则空载拉不进跳模式，偏下则满载无调节空间；CTR 随老化衰减 20~30 %，预算时留足。

10.2 P ON/OFF（脚 8）

• 从 FB 经 10 k/10 k 分压接入（外接阻抗 5 kΩ > 1 kΩ 最小值要求 ✓；20 µA 上拉在 5 kΩ 上只差 0.1 V）。设计动作：选分压比使“轻载判定点 FB≈1.2 V”时脚 8 越过内部阈值——该阈值绝对值 DS 特性表未单列，按此法实测标定〔待核实〕。负载回落判定靠迟滞（设定电平的 100 % typ）+ 10 s 定时器，临界负载不会振荡。

10.3 PFC MODE（脚 9）

• 一路接 PFC 控制器 VCC（态 3 旁路供电，VCC−0.4 V）；一路经 1 kΩ 栅极电阻驱动小信号高压 MOSFET（700 V 级），MOSFET 串入母线分压器（态 2 保持接入 / 态 1 断开）。PFC VCC 去耦取 ≥22 µF（态 3 限流 1.2 mA typ，10 µF 充到 12 V 要 100 ms——电容太小 PFC 起不来）。

10.4 SKIP/REM（脚 4）——按后缀接线

• Ay（本例 AC）：对地电阻设跳模式阈值（ISKIP = 50 µA 相关，映射式 DS 未给，实测标定〔待核实〕）；脚上电容 ≤10 nF。
• By（若选 BA）：按 DS 图 40 接 REM 光耦+辅助偏置网络（D2/C1/R1/R2/C2），上拉源 ≤10 V。
• Off 模式选择：本例 Active OFF（AC）——次级 off 控制器（如 NCP435x）复用稳压光耦持续拉低 FB；若待机指标极限苛刻，换 BA（Active ON）+专用 REM 光耦（02 §6 的功耗核算）。

11. 第 10 步：启动相关外围

• HV（脚 1）：接 PFC 母线电容正端（整流桥后）；无需串联电阻（DS 未要求）。
• 软启动：无外接件——全数字（tSS_INCREMENT 20 ns、KSS 8 为 AC 选项值），软启动速度由选项+负载决定，大容负载验证输出单调性（02 §8.3）。
• 看门狗：无需外围；台架裸板测 IC（无变压器、HB 无信号）时每 0.5 ms 重试启动——测试方法见 04 陷阱 10。
• NC（脚 2/13）：留空 + 布局为其留出爬电距离，不接任何网络。

12. 关键元件选型表（240 W 示例汇总）

13. 调试四看（首次上电顺序）

1. 看 vCr 与谐振电流相位：重载时电压滞后电流（感性、ZVS 侧）——若超前，谐振腔或分压比有错，立即断电（容性区伤管）。
2. 看半桥 ZVS：死区结束前 HB 应完成摆幅；轻载丢失 ZVS 属正常（自动死区会拉长到 800 ns 钳位），但不应频繁触发 DT 故障计数。
3. 看跳模式边界：缓降负载观察突发进入/退出点与突发重复频率（音频啸叫判定），核对所选后缀的迟滞选项。
4. 看保护注入：次级短路（应 5 脉冲内停，示波器数脉冲）、FB 开路（拔光耦→定时器时长与所选后缀一致）、母线欠压（调压器降到 330/260 V 两点验证 BO 开关机）——三项全过再谈效率。

补充：谐振腔元件有 ±5~10 % 容差，Cr 实际用固定+可微调并联组合、Lr 按实测 fr 复调；调完后第 3 步的三条校核要按实测 vCr 幅值复核一遍（保护阈值跟着谐振腔走）。

精炼要点

上一级：NCP1399