NCP1680 — 03 典型应用与设计计算

对标 TI 手册“Application and Implementation”结构：Design Requirements 表 → 编号设计步骤（每步：公式→代入→结果→工程判读）→ 关键元件选型表。 基准算例：400 W、90~264 VAC 通用输入、395 V 输出、NCP1680AA（本库示例，公式与常数全部取自 onsemi NCP1680/D；标注「本库推算/经验」处与 DS 事实分开）。DS 图 2 原版典型应用为 400 Vac 输入档，管子/驱动器型号见其图注。

本篇总结

1. 设计流程共 12 步，前 3 步（电感、峰值电流、ZCD 电阻）决定功率级能否工作，中间 5 步（驱动、采样分压、补偿校验）决定性能，后 4 步（AUX、PFCOK、FAULT、VCC）决定系统联调。
2. 电感上限由 eq.1 直接给出：L ≤ Vac²·Ton,max,CrM/(2·Po)——AA 档 400 W/90 V 算得 174 µH，本库取 150 µH 留 8% 导通时间余量；同一颗电感反算满载 Ton=15.8 µs < 17.2 µs ✓。
3. 峰值电流 eq.2 = 2√2·Po/(η·Vac) = 13.4 A（90 VAC 满载），它同时决定快/慢臂管的电流定额与 ZCD 检测电阻的脉冲功率。
4. ZCD 检测电阻 Rs ≤ VZCDLIM1/IL,PK：AA 档 104 mΩ——毫欧级、低感量（DS 明示），且要在最低高线电压下复算一次（高线限流阈值 ×60%）。
5. 频率自检：满载低线线峰值处 fsw≈46 kHz、过零处 ≈68 kHz，均低于 FCLAMP 130 kHz → 全半周期保持 CrM；轻载 25% 时过零处频率触顶转 DCM——这正是 FCCrM 设计的工作区。
6. FB 分压只定输出电压（395 V → kFB=0.6329%，RFB1=3.16 MΩ+RFB2=20 kΩ），不需要接任何补偿网络——数字补偿器已内置；高线增益自动 ÷4。
7. LVSNS 分压按 KL_DIV=100 取 RUPPER=2×2.5 MΩ、RLOWER=100 kΩ，滤波电容按 τ≈100 µs 取 1 nF——BO 启停点落在 78/71 VAC，高低线切换点落在 167/157 VAC。
8. PFCOK 电阻把 10 µA/V 电流源翻译成下游 UVLO 阈值（例：120 kΩ→3 V），FAULT 脚 NTC 按 8.7 kΩ 触发点选型（100 kΩ/β4050 NTC 约 90 ℃ 触发，本库示例）。

1. Design Requirements（设计需求表）

2. 编号设计步骤

步骤 1：升压电感（eq.1）

CrM+恒定导通时间下，半周平均输入功率 Pin = Vac²·ton/(2L)；令 ton=Ton,max,CrM、Pin≈Po 解出上限：

$$L \le \frac{V_{ac}^2 \times T_{on,max,CrM}}{2 \times P_o} \quad \text{(eq.1)}$$

代入（90 VAC、AA 档 17.2 µs、400 W）：

L ≤ 90² × 17.2 µs / (2×400) = 8100 × 17.2e-6 / 800 = 174 µH
η 修正版（Pin=Po/η=426 W）：L ≤ 163 µH（DS 正文提 η 而式中无，推断为并入 Pin）

取 L = 150 µH（上限再让 10~15%，本库惯例）。反算校验：满载 Ton = 2·L·Pin/Vac² = 2×150µ×426/8100 = 15.8 µs < 17.2 µs，余量 8% ✓（低于 10% 时考虑降 L 或升档位）。若选 AB/AC 档：L ≤ 8100×10.2µs/800 = 103 µH → 取 90 µH，体积减半但频率翻倍——这是型号分档的直接工程含义。

步骤 2：峰值电流（eq.2）

$$I_{L,PK} = \frac{2\sqrt{2} \times P_o}{\eta \times V_{ac}} \quad \text{(eq.2)}$$

代入（90 VAC、400 W、η=0.94）：

IL,PK = 2.828 × 400 / (0.94 × 90) = 1131 / 84.6 = 13.4 A

工程判读：这是最低线电压、线峰值处的最坏值——快臂管（GaN/SJ-MOS）的脉冲电流定额、慢臂管与 L 的饱和电流都要覆盖 13.4 A（慢臂管还叠加 1.3 倍量级的纹波考虑，按管子数据手册脉冲定额核对）。高线复算：180 VAC → IL,PK = 1131/(0.94×180) = 6.7 A——低线是唯一设计点。

步骤 3：ZCD 检测电阻（eq.3）

$$R_{ZCD} \le \frac{V_{ZCDLIM(xL)}}{I_{L,PK}} \quad \text{(eq.3)}$$

代入（AA 档低线阈值 1.4 V、IL,PK=13.4 A）：

Rs ≤ 1.4 / 13.4 = 104 mΩ   （AA）
Rs ≤ 0.6 / 13.4 = 45 mΩ    （AB·AC，若选高频档）

最低高线复算（DS §23 要求）：180 VAC 时 IL,PK=6.7 A、高线阈值 0.84 V（低线的 60%）→ Rs ≤ 0.84/6.7 = 125 mΩ——低线算得的 104 mΩ 仍是约束 ✓。 三边校验（02 §14 的约束链）：满载时 ZCD 峰值 = 13.4 A×0.104 Ω = 1.39 V > VZCD(ARM) 300 mV（同步使能 ✓）且远 > VZCD(MIN) 70 mV（THD 增强器 ✓）。器件选型：毫欧级金属板/合金采样电阻，感量 <5 nH 量级、脉冲功率按 13.4 A 三角波核算（DS 表 1 明示“低电感量”要求）。

步骤 4：快桥臂驱动配置

• PWML/PWMH 是 5 V 逻辑（钳位 4.5~5.5 V，±100/160 mA）→ 选输入 5 V 兼容的半桥驱动器；DS 生态举例 NCP51820（带 Enable，可接 SKIP 联动下电）。
• 死区预算：片内 TDT1=130 ns 只约束 (1−d) 管相对 d 管关断的延迟——外部驱动器的传播延迟要叠加进去：tDEAD,total ≈ 130 ns + (tPLH(drv) − tPHL(drv))；两路（PWML/PWMH 各经一驱）延迟差控制在 ±10 ns 内，否则正负半周死区不对称（业界经验）。
• 高侧供电：自举或隔离电源按快臂器件类型定（GaN 通常 5~6 V 驱动、SJ-MOS 10~12 V）；驱动器 VCC 若只有 20 V 额定，务必做步骤 11 的 FAULT 稳压管保护。
• 快臂管选型：CrM 谷底开通下开通损耗低，主要损耗是导通+关断；Qrr 不苛刻（CrM 软换向）但不能差到滑入 CCM 后撑不住——600 V SJ-MOS 或 GaN 均可，DS §8 定性支持。

步骤 5：慢桥臂驱动配置

• SRH/SRL 是片内 12 V 驱动（钳位 10~14 V）→ 工频管选 RDS(on) 优先的 600 V SJ-MOS（开关损耗可忽略）；DS 图 2 示例经 NCP51530 推动两管（型号按图注提取）。
• 慢臂导通损耗复算（本库推算）：90 VAC 满载 4.73 A rms × 40 mΩ ≈ 0.9 W/管——比其所替代的整流桥二极管（≈4.3 W/对）低一个量级，这就是省桥的物理落点。
• 直推接口注意：12 V 输出与管子 VGS 额定匹配（多数 600 V 管支持 ±20 V，12 V 恰在高效区）；若用 4.5 V 阈值驱动的逻辑级管需重新核驱动电压档。

步骤 6：LVSNS 线采样分压（KL_DIV=100）

按 DS §9 推荐口径：

分压比 = 1/100：RUPPER = 2 × 2.5 MΩ（两只 1206 串联耐压）、RLOWER = 100 kΩ
LVSNS1 接电感交流线侧，LVSNS2 接零线（慢臂节点）——DS 表 1 明确
滤波电容 C = 1 nF → τ = (RUPPER∥RLOWER)×C ≈ 98 kΩ×1 nF ≈ 100 µs（落在 DS 推荐 50~200 µs 内）

阈值落点校验：VBO 启停 = 1.10/1.00 V × 100 = 110/100 V 幅值 = 78/71 VAC ✓；高低线 = 2.36/2.22 V × 100 = 167/157 VAC ✓。分压器常通损耗：264 VAC 输入、5.1 MΩ → ≈52 µA 平均（本库推算），计入空载功耗预算。

步骤 7：FB 分压与输出电平

kFB = VREF/Vout = 2.5/395 = 0.6329%：

RFB1/RFB2 = (395−2.5)/2.5 = 157:1
取 RFB2 = 20.0 kΩ → RFB1 = 157×20k = 3.14 MΩ → 取 E96 标称 3.16 MΩ
复核：Vout = 2.5×(3.16M+20k)/20k = 397 V（+0.5%，精度受 VREF 全温 ±2.4% 主导）

由此锁定全部输出电平（按 397 V 实际值，本库推算）：软 OVP 416.9 V、快 OVP 428.8 V、DRE 379.1 V、BUV（AA）317.6 V、UVP 47.6 V。母线电容按快 OVP 上限再留 5% → 450 V 档可用、500 V 更稳。 补偿器：不接任何外部网络（02 §11）；只需确认输出电容与负载特性下穿越频率仍落 5~10 Hz——DS 给出的等效 Type-II 已按此优化，改动 kFB 不影响环路（数字补偿的固定参数域）。

步骤 8：频率与模式自检（把 eq.1 的结果闭环）

CrM 下 Tsw = ton·Vo/(Vo−Vin)，即 fsw = (Vo−Vin)/(ton·Vo)：

满载低线、线峰值（Vin=127 V，ton=15.8 µs）：
  Tsw = 15.8µ × 395/(395−127) = 23.3 µs → fsw ≈ 42.9 kHz（半周期内最低频，EMI 频段下沿）
满载低线、过零（Vin→0）：fsw → 1/ton = 63.3 kHz < FCLAMP 130 kHz ✓ 全半周 CrM
25% 负载（ton=3.95 µs）：过零处 fsw → 253 kHz > FCLAMP → 转 DCM；ton 已贴住折返点
  3.84 µs——再轻一档即进入频率折返 ✓

结论：该 L 值下满载全半周 CrM、轻载按设计意图进入 DCM+折返——FCCrM 工作区自洽。

工作区全景表（150 µH/395 V/AA，本库推算，fsw=(Vo−Vin)/(ton·Vo)）：

读表要点：高线满载 ton 只有 2.41 µs（仍 > 折返点 1.92 µs），过零处频率撞 FCLAMP 转 DCM、线峰值处保持 CrM；低线满载全程 CrM。EMI 频段规划以“低线满载 43 kHz 起步 + 高线轻载 130 kHz 钳位”两端为界。

步骤 9：AUX 辅助绕组

• 匝比：辅助电压需在开关节点谐振时可靠越过 ±200 mV 武装阈并冲过触发阈——经验上取 VAUX(峰) 5~15 V（本库经验值，DS 未给匝比公式），Ns/Np = VAUX/(Vout−Vin) 量级按最坏低线折算。
• 外围（DS 图 27 原文口径）：RAUX1 串联不加隔直二极管（正负半周对称）；RAUX2 下拉把绕组高压摆电流引地（保护谷底检测 ESD 筋）；DAUX 肖特基钳负半周；CAUX 对地调谐谷底检测点。取值：RAUX1/RAUX2 使注入 AUX 的电流限制在 −2/+5 mA 绝对最大值内（DS 表 2 注 1），典型 kΩ~10 kΩ 级（经验值）。

步骤 10：PFCOK 下游接口

PFCOK 输出电流源 = 10 µA/V × VFB（VFB=2.5 V 时 25 µA）：

下游 UVLO 阈值 3.0 V：RPFCOK = 3.0 V / 25 µA = 120 kΩ → 对应母线 2.5/25µ×... 即 VFB=2.5V 时母线=397 V 全压
反向校验：母线 320 V 时 VFB=2.02 V → IPFCOK=20.2 µA → VPFCOK=2.4 V < 3 V → 下游仍关断 ✓（按 397 V 满调节点使能的意图）
跳周期握手：下游须以快于 PFC burst 频率的脉冲串把 PFCOK 拉到 <0.5 V 持续 >30 µs（DS §26）

步骤 11：FAULT 脚（NTC + 驱动器过压锁存）

OTP 触发点：RNTC(trip) = 0.40 V / 46 µA = 8.7 kΩ
选 NTC：R25=100 kΩ、β=4050（本库示例）→ 90 ℃ 时 R=8.8 kΩ ≈ 触发点 → 目标温度取 90 ℃ 附近
上电消隐 5 ms 需把 NTC 网络电容充过阈值——NTC 靠近热源、走线短，电容自然满足（DS §27.1）
驱动器过压锁存：稳压管（如 18 V）接在 VCC(drv) 与 FAULT 之间；锁存条件 = 上拉电流 > 钳位下拉能力 ≈1.7 V/1.55 kΩ ≈ 1.1 mA

步骤 12：VCC 供电与启动链

• 偏置 >11.25 V（VCC(on) max）且 ICC 限流 ≥4 mA（ICC3 max）+ 驱动器消耗；启动电容按 10 ms 内跌落 <1 V 取 ≥47 µF（本库算例）。
• 启动四条件核对（02 §3）：BONOK 清除、VCC>10.5 V、NDRV_EN=4（约 40~44 ms @50 Hz）、极性上升沿——系统时序里 PFC 首脉冲最早出现在上电后 ≈40 ms。
• 待机链：SKIP→驱动器 Enable（或 VCC 直通）→ 跳周期时 ICC4 0.54 mA + 驱动器静态 ≈0 → 系统空载功耗预算收敛。

3. PFC-后级时序协议（系统联调口径）

NCP1680 与下游 DC-DC 的接口由 PFCOK/SKIP 两脚承载，联调前先对齐这条时序链（本库按 DS §26/§25 整理）：

上电：VCC>10.5V → NDRV_EN=4（≈40 ms @50 Hz）→ 极性上升沿 → 首脉冲
      → VFB 升至 98%VREF → PFCOK 标志置高（≤100 mV 的脚电压经 RPFCOK 转为高电平）
      → 下游看到使能 → 下游软启动
正常运行：PFCOK 电压 = 10 µA/V × VFB × RPFCOK，随母线缓变——可兼作下游输入欠压监视
载突降/过冲：PFC 内部软 OVP（105%）/快 OVP（108%）自处置，PFCOK 拉低仅发生在
      StaticOVP/BUV/UVP/线频率2/OTP/OVP(脚)/TSD（DS 表 6"OFF 模式"列）——下游据此分级退出
轻载/待机：系统主机经 PFCOK 脉冲串（<0.5 V/>30 µs/快于 burst）或 SKIP 下拉（<1.5 V/≥56 µs）
      命令跳周期 → PFC 静默、母线 100%↔94% 衰减-脉冲串 → SKIP 同时下电驱动器（Enable 或 VCC 直通）
      → 命令解除（500 ms 复查窗内检出）→ 恢复正常

协议要点：① PFCOK 在“未到调节”与“多数故障”时都被拉到 ≤100 mV——下游必须把“低=不可用”当作硬条件；② 跳周期期间若下游需要 PFC 保持使能，就走 PFCOK 脉冲串而非 SKIP；③ 母线电压骤降时 BUV（80%/60%）+TBUV 500 ms 是“PFC 自重启”的节奏，下游重试周期要与之错开。

4. 关键元件选型表（400 W 算例汇总）

精炼要点

上一级：NCP1680