NCP1681 — 多模式（MM）+ CCM 图腾柱 PFC 控制器（深度解读）
拓扑：无桥图腾柱 Boost PFC ｜ 版本：NCP1681Ax（定频 CCM）/ NCP1681Bx（多模式）｜ 厂商：onsemi ｜ 封装：SOIC-20 窄体（脚 17/19 为爬电距离移除） 依据：NCP1681/D Rev.1（2023-05，41 页）——本库规格书全译（167 行特性数据 + eq.1~9），并以
datasheet/NCP1681_datasheet.txt原文交叉核对。状态：✅ 深度解读。
本篇总结
- NCP1681 是 onsemi 图腾柱 PFC 控制器的大功率旗舰：Bx 版把“轻载 CrM 谷底开通省开关损耗”与“重载 CCM 低电流 RMS 省导通损耗”装进同一颗芯片。以 750 W/90 VAC 为例（本库推算，基于 DS 式 6/7 与 CrM 标准关系）：CCM 峰值电感电流 16.1 A，比 CrM 的 24.8 A 低 35%，电流 RMS 低约 12%——导通损耗 ∝ RMS²，差 29%。
- 支撑 CCM 的是一整套新架构：双 CT 检测（CS 管上升斜率、ZCD 管下降斜率）内部重构电感电流 + 跨导乘法器（GVM 75 µA/V）+ 预测型平均电流模式——没有传统电流环误差放大器，占空比由乘法器电压 VM 对斜坡（VRAMP,PK 3.75 V）一次比较直接给出。
- 电压环是数字 Type-II 补偿器（等效 GOTA 200 µS、RZ 24 kΩ、CZ 4.62 µF、CP 97.24 nF：中频增益 13.6 dB、零点 1.44 Hz、极点 68.2 Hz），按 5~10 Hz 带宽、>60° 相位裕量出厂整定，免外部环路调试；高线模式自动把环路增益降为 1/4。
- 一对 LVSNS 差分脚派生出五种功能：极性检测、线频率监测（41~72 Hz 窗口）、掉电/线路跌落（约 78/71 VAC 折算）、线范围识别（167/157 VAC 切换、高线补偿增益 ÷4）、交流过零驱动管理——这是“数字前端”的根基，也是调试时最该先看的信号。
- CrM↔CCM 切换判据全部量化：进 CCM 需导通时间 > 1.12×TCCM（65 kHz 时约 17.2 µs）连续 8 周期、VCS > 350 mV（限流 25%）、且离开 CrM 已满 262 ms；退出需 VCS < 210 mV 或同判据，持续 360 ms——迟滞足够宽，不怕负载在门槛附近抖动。
- 保护分层明确：软 OVP（105%，4 步每步 400 µs 降功率）→ 快 OVP（108%，立即封脉冲）→ FAULT 脚双电平（0.4 V OTP 自恢复 / 3.0 V 锁存）+ 两级限流（1.4 V / 2.1 V，Bx 高线自动降至 60%）+ BUV（80%，500 ms）。
- 定位：Bx 多模式适合 300 W~1 kW 及需优化轻载效率/THD 的场合（DS §15），Ax 定频 CCM 适合 >1 kW 满载效率优先；快桥臂必须配 SiC/GaN 与隔离栅驱动（DS 推荐 NCP51561）——CCM 图腾柱没有反向恢复豁免权。
描述（Description）
图腾柱 PFC 把传统 Boost PFC 的二极管整流桥换成一只以工频开关的“慢桥臂”，与以开关频率工作的“快桥臂”拼成两个半桥：导通路径上只剩两只 MOSFET（传统方案是两颗桥臂二极管 + 一颗开关管 + 升压二极管），效率与功率密度因此上一个台阶——但代价是控制器必须解决三件难事：极性识别与换向（电流双向流）、过零管理（换向点电流尖峰与 THD）、CCM 电流检测（每只快桥臂管既当开关又当同步整流管）。NCP1681 的全部功能块都是围绕这三件事搭的：LVSNS 差分检测 + POLARITY/INVPOL 输出解决第一件；过零阈值组 + 52 µs 开环脉冲串解决第二件；双 CT + 消隐 + 乘法器解决第三件。
控制器本身不含内部高压启动（VCC 须外部供电，典型 12 V），6 路驱动输出全部是逻辑/栅极电平信号：PWMH/PWML 为 5 V 逻辑（接隔离驱动器），SRH/SRL、POLARITY/INVPOL 为 12 V 推挽（可直接驱动慢桥臂与消隐开关）。
特性（Features，每条带数值）
| 特性 | 数值/口径（typ 除注明外） | 出处 |
|---|---|---|
| 多模式工作（Bx） | 重载 CCM 65 kHz → 中载 FCCrM（频率钳位 130 kHz）→ 轻载 DCM 谷底开关（FMIN 30.5 kHz，min 25/max 36） | 表 4、§15 |
| 定频 CCM（Ax） | AA=65 kHz（60.4~69.6）、AB=95 kHz（88.3~101.7），全负载 | 表 2/4 |
| 控制方法 | 预测型平均电流模式（CCM）/ 恒定导通时间 + 死区补偿（FCCrM）；数字补偿 | §15~18 |
| 最大占空比 | DMAX 95.1%（AA·BA）/ 94.7%（AB），VM=0 V | 表 4 |
| 频率抖动 | ±8.9%，调制率 2.4 kHz | 表 4 |
| 电流检测 | 双 CT 上升/下降斜率重构；限流 VILIMIT1(LL) 1.4 V（Bx）/1.0 V（Ax），高线 60%（Bx） | 表 2/4 |
| 电压基准 | VREF 2.50 V（全温 2.44~2.56 V） | 表 4 |
| 驱动输出 | PWMx：5 V 钳位、100/160 mA、95/30 ns @1 nF；SRx/POLx：12 V、100/160 mA、185/125 ns | 表 4 |
| 死区 | TDT1 130 ns、TDT2 150 ns（min 90/110，max 170/190） | 表 4 |
| 保护 | 软 OVP 105%、快 OVP 108%、UVP 12%、BUV 80%、DRE 95.5%/98%、逐周期 OCP、TSD 150 ℃（迟滞 50 ℃） | 表 4、§19 |
| 跳机/待机 | ICC4 0.54 mA（max 0.9），PFCOK 命令（<0.5 V 持续 30 µs）或 VM < 1.5 V（Bx） | 表 4、§26 |
| 供电与启动 | VCC(on) 10.5 V、VCC(off) 8.8 V、迟滞 1.7 V（min 1.2）、ICC3 3.3 mA；无内部高压启动 | 表 4、§8 |
| 鲁棒性 | ESD HBM 3.5 kV / CDM 1.25 kV、闩锁 >100 mA、PD 660 mW @70 ℃、RθJA 121 ℃/W | 表 3 |
应用（Applications，DS 原文）
云/服务器电源；高性能计算（HPC）；5G/电信电源；工业电源；超高密度（UHD）电源；商用电源（Merchant Power）。共同点：400 V 母线 + LLC/DC-DC 后级、对效率与待机功耗有硬指标、快桥臂用宽禁带器件。
关键参数速查表
| 参数 | 数值（typ） | 设计含义 |
|---|---|---|
| VCC(on) / VCC(off) | 10.5 / 8.8 V | 辅助电源须“冲过”10.5 V 再跌落也不低于 8.8 V；迟滞 min 1.2 V 是驱动电流的预算 |
| FCCM | 65（AA·BA）/ 95 kHz（AB） | 决定 CCM 纹波、磁件与 EMI 频段；进入 CCM 的导通时间门槛 = 1.12/FCCM |
| VRAMP,PK | 3.75 V | 占空比标尺：d = 1 − VM/VRAMP,PK |
| GVM（乘法器跨导） | 75 µA/V | 与 RM 一起设定最大功率能力（式 5） |
| VILIMIT1(LL/HL) | 1.4 / 0.84 V（Bx）；1/1 V（Ax） | RCS 取值依据（式 8）；Bx 高线自动降 60% |
| VILIMIT2 | 1.5×VILIMIT1(LL) | 异常过流第二级，4 次连续即锁停 |
| VZCD(ARM/TRG) | 300/50 mV（Bx）；150/30 mV（Ax） | 同步管使能门槛 → 轻载自动放弃同步 |
| TDT1 / TDT2 | 130 / 150 ns | 快桥臂防直通 + CCM 周期边界同步管强制关断 |
| VBO(START/STOP) | 1.10 / 1.00 V | 100:1 分压下 ≈78/71 VAC 使能/禁用 |
| VHL / VLL | 2.36 / 2.22 V | 线范围切换 ≈167/157 VAC；高线补偿增益 ÷4 |
| 线频率窗口 | 41~72 Hz（表 4） | 界外先禁 SR 100 ms，再禁 PWM 进故障；4 个合法半周期恢复 |
| 软/快 OVP | 105% / 108% Vout,nom | 软 OVP 四步降功率；快 OVP 立即封脉冲，103% 恢复 |
| BUV | 2.0 V = 80% Vout,nom，TBUV 500 ms | 母线塌陷判定，须 PFCOK 已置高才生效 |
| Ton,min / Ton,max,CrM | 260 ns / 17.1 µs（Bx） | CrM 恒导通时间上限；频率折返触发点 3.84 µs（LL） |
| Fclamp1 / FMIN | 130 / 30.5 kHz | FCCrM 上限（转 DCM 谷底）与轻载下限（防可闻噪声） |
| VREF | 2.50 V | kFB = 2.5/Vout,nom 定 FB 分压 |
与库内相关 IC 的差异概述
- vs NCP1680（图腾柱 CrM 专用）：1680 只有 CrM、无 CCM、无乘法器/数字补偿，管脚少、简单便宜——100~500 W 且低网重载不需要 CCM 时选它；一旦低网重载电流 RMS 压不住（>500 W）或需要 PFCOK 握手、数字补偿，就升级 1681（完整对比表见 04 实战问答）。
- vs NCP1654（传统定频 CCM）：1654 是“桥 + 硬开关 CCM”的成熟简单路线，整流桥白吃 1~2% 效率；1681 用图腾柱 + 宽禁带把这部分找回来，代价是系统复杂度高一个量级。
- vs NCP1622（CrM+VSFF 小功率）：不同重量级——1622 管 150 W 以内适配器/TV 前级，1681 管的是千瓦级服务器前级。
五件套导航
| 篇 | 内容 | 对标 |
|---|---|---|
| 01_规格书全译 | DS 全文忠实翻译：电气特性全表、式 1~9、故障矩阵、译者附注（字形还原/原文矛盾清单） | 原厂 DS |
| 02_引脚功能与关键规格 | 20 脚总表 + 逐脚详解（内部结构→外围接法→怎么算→坏了会怎样）+ 参数设计含义表 | TI Pin Configuration & Specifications |
| 03_内部框图与工作原理 | 框图走读 + 每个功能块一节（含公式推导与代入验算）+ 功能模式总表 | TI Detailed Description |
| 04_典型应用与设计计算 | 750 W 设计需求表 + 编号设计步骤（每步式子+代入+结果）+ 选型表 | TI Application and Implementation |
| 05_设计要点_常见陷阱与故障排查 | 11 个陷阱（机理→现象→怎么测→怎么解）+ 排查流程树 + 布局要点 + 量产清单 | TI Layout Guidelines + 排障 |
| 所属横评 | 01_横评_PFC控制器（四条控制路线对比） | — |
适合谁 / 不适合谁
- 适合：做 300 W~1 kW（DS §15 口径，Ax 型上探 >1 kW）服务器/通信电源前级、快桥臂已确定 SiC/GaN、需要 PFC 与 LLC 之间做使能/待机握手、追求低空载功耗与全负载 THD 的工程师；也适合想理解“多模式 PFC 控制器怎么组织”的读者——它是数字控制 + 模拟执行混合架构的优秀样本。
- 不适合：首台图腾柱样机（先用 NCP1680 CrM 版练手更稳妥）；<300 W 且不在乎轻载效率的应用（NCP1622/1654 更简单）；没有隔离驱动资源却想跑 CCM 的项目——硬开关 CCM 的反向恢复会直接淘汰硅管快桥臂。
精炼要点
| 要点 | 数值 | 为什么重要 |
|---|---|---|
| 多模式切换门槛 | ton > 1.12/FCCM = 17.2 µs（65 kHz） | 电感取值直接决定 CCM 起始功率（式 6），是 Bx 设计的第一自由度 |
| 750 W/90 V 电流对比 | CrM 峰值 24.8 A vs CCM 16.1 A（本库推算） | CCM 省 35% 峰值、29% 导通损耗——kW 级必须 CCM 的定量理由 |
| 乘法器闭环校验 | VM=1.165 V → d=0.689 vs 需求 0.682 | 证明 CS+ZCD 重构 + GVM/RM 链路自洽（式 2~4 代入） |
| 高线自适应 | 补偿器增益 ÷4 @ >167 VAC | 一颗芯片同时优化 115/230 V 两档工况 |
| 待机电流 | ICC4 = 0.54 mA（跳机） | 满足服务器电源空载/待机功耗法规的关键数字 |
| 母线握手 | PFCOK：10 µA/V 电流源，<0.5 V 超 30 µs 入跳机 | PFC 与 LLC 的“军令状”：不到 98% VREF 不放行 |
| 快桥臂器件 | 必须 SiC/GaN（无 Qrr） | CCM 硬开关下硅管体二极管反向恢复 = 直接热失效 |