NCP1681 — 03 典型应用与设计计算（深度版）

对标 TI“Application and Implementation”体例：Design Requirements 表 → 编号设计步骤（每步：公式→代入→结果→工程判断）→ 关键元件选型表。示例为本库构造的 750 W 图腾柱多模式 PFC（选 Bx 版），全部公式与常数来自 01_规格书全译（eq.1~9、表 2/4），计算过程本库复算并标「本库推算」。

本篇总结

1. 设计主线要点：电感定模式边界，RM 定功率上限，RCS 定保护点，其余阈值芯片自带——NCP1681 的外部设计自由度比传统控制器少得多，把三个元件算对就成了一大半。
2. 750 W/90~264 VAC/400 V 设计的结果集：L=180 µH（式 6，PTRAN=250 W）、CT 1:100 + RCS=5.6 Ω（式 8 双线取小）、RZCD 用 CT 同配平、RM=47 kΩ（式 5 上限 48.1 kΩ）+1.5 nF、FB 分压 1.58 MΩ/10 kΩ（≈398 V）。
3. 模式边界复核（本库推算）：90 VAC 下 CCM 边界 ≈370 W，230 VAC 下高达 ≈2.4 kW——低网重载才进 CCM，其余工况全程谷底，这正是 eq.6 的设计意图。
4. 线检测分压是“裕量 tight 点”：KL_DIV=100 时 90 VAC 的 VLINE 峰值 1.27 V 对 VBO(START) max 1.18 V 只有 7% 裕量；85 VAC 输入的设计建议 KL_DIV 降到 90。
5. ZCD 检测元件在 750 W 功率级必须用 CT：电阻法按式 9 得 56 mΩ，损耗 ≈8.9 W（本库推算）不可接受——eq.9 的真正用法是“与 CS 同匝比同阻值”的配平原则。
6. 双驱动死区预算：TDT1 130 ns + 驱动器传播延迟；同步管最小负载由 VZCD(ARM) 300 mV 与 VLINE 220 mV 两道门自动圈定，无需外部设定。
7. FAULT 网络可精确设计：NTC 100 kΩ/β4050 → 90 ℃ 跳闸/65 ℃ 恢复；VCC-OVP 用 14 V 稳压管 +1 kΩ → 约 18.2 V 锁存，保护 20 V 级栅驱动器（本库示例）。
8. 环路不用整定（数字 Type-II 出厂固化），设计验证重点转向：模式切换点实测、过零波形对 DS 图 16、THD 全负载扫描。

1. 设计要求（Design Requirements）

2. 设计步骤

步骤 1：输入电流与峰值电感电流（式 7）

Iin,rms(LL) = Po/(η·Vac) = 750/(0.95×90) = 8.77 A；线峰平均电流 √2×8.77 = 12.4 A。

式 7：IL,PK = √2·Po/(η·Vac) + √2·Vac·DPK/(2·L·FSW)。

DPK = 1 − √2×90/400 = 0.682；纹波项 = 127.3×0.682/(2×180 µ×65 k) = 86.8/23.4 = 3.71 A。

IL,PK = 12.40 + 3.71 = 16.1 A（90 VAC，满载线峰）。高线复算（180 VAC）：Iavg,pk = 8.77 A、DPK = 1 − 254.6/400 = 0.364、ΔI = 254.6×0.364/11.7 = 7.92 A → IL,PK(HL) = 8.77 + 3.96 = 12.7 A。磁芯饱和电流按 ≥1.25×16.1 ≈ 20 A 选（本库经验裕量）。

步骤 2：电感量（式 6）

L = (1.12·η·Vin)²/(FCCM·2·PTRAN)·(Vo−√2·Vin)/Vo

= (1.12×0.95×90)²/(65 k×2×250)×(400−127.3)/400 = 95.76²/3.25e7 × 0.682 = 9170/3.25e7 × 0.682 = 2.822e-4×0.682 = 192 µH（η=0.95）。

DS 原文数值例按 η≈0.93 代入：(93.74)²/3.25e7×0.682 = 8787/3.25e7×0.682 = 184 µH ≈ 180 µH（与 DS 一致，本库复算自洽）。η 取 0.93~0.95 时结果落在 184~192 µH——取 180 µH 标准值（略偏小：CCM 稍早进入、纹波稍大，方向安全）。下文计算均按 L=180 µH。

工程判断：180 µH 在 750 W/90 V 满载线峰纹波 3.7 A（ΔI/Iavg = 30%），CrM 区间（<370 W）频率 30~60 kHz 不落入可闻区——两方面都过得去。

步骤 3：模式边界复核（CCM 边界，本库推算）

CrM 恒导通时间关系 ton = 2·L·Po/(η·Vin²)（CrM 标准式，本库推算依据 DS 判据反推）：

• 90 VAC：ton = 2×180 µ×750/(0.95×8100) = 35.1 µs > 17.2 µs → CCM；ton=17.2 µs 对应 Po = 17.2 µ×0.95×8100/(2×180 µ) ≈ 370 W；
• 230 VAC：ton = 5.4 µs，CCM 边界 Po ≈ 2.4 kW（750 W 全程 CrM，线峰频率 ≈35 kHz < 130 kHz 钳位，过零附近频率将超钳位自动转 DCM 谷底——与 DS §15 的“线峰 CrM、趋零 DCM”描述吻合）。

结论：该设计只在低网 >370 W 时进 CCM；如果产品规格要求 230 VAC 也走 CCM（比如为了压 EMI 低频段），得把 L 加大 4 倍以上——通常不值得，这正是“多模式”存在的意义。

步骤 4：线检测分压（式 1 与裕量核对）

KL_DIV = (RUPPER+RLOWER)/RLOWER = 100 → RUPPER = 2×4.7 MΩ（1206 串联，各分担 ~186 V）、RLOWER = 95 kΩ → 实际 (9400+95)/95 = 99.9 ≈ 100 ✓。功耗：373 V²/9.49 MΩ = 14.7 mW——空载功耗友好。

裕量核对（本库推算）：90 VAC → VLINE 峰值 127.3×1% = 1.27 V，对 VBO(START) max 1.18 V 裕量 7%（对 typ 1.10 V 裕量 15%）——可用但偏紧；若规格到 85 VAC（1.20 V），对 max 阈值裕量仅 1.7%，建议 KL_DIV 取 90（RLOWER=105 kΩ）：85 VAC → 1.33 V 裕量 11%，同时 264 VAC → 4.15 V 仍在 5.5 V 绝对最大内。极性 RC 滤波取 47 kΩ+2.2 nF ≈ 100 µs（20~200 µs 窗口中点）。

步骤 5：FB 分压与输出电平表

kFB = VREF/Vout = 2.5/400 = 1/160 → RFB2 = 10 kΩ、RFB1 = 1.58 MΩ（2×790 kΩ/1206）→ Vout,nom = 2.5×(1.59 M/10 k) ≈ 398 V。分压损耗 400²/1.59 M = 100 mW。FB 偏置误差：250 nA×(RFB1∥RFB2)/kFB ≈ 0.4 V（0.1%，可忽略）。全套阈值折算到输出（DS §19）：

核对母线电容耐压：软 OVP 418 V → 母线电容额定 ≥450 V；快 OVP 430 V 瞬态可及 → 450 V 标准档刚好（本库判断）。

步骤 6：CT 与 RCS（式 7/8）、消隐电路

CT 匝比取 1:100（两只，CT1/CT2 各串一只快桥臂管）。式 8：RCS ≤ NS·VILIMIT(xL)/IL,PK：

• 低线：RCS ≤ 100×1.4/16.1 = 8.7 Ω；
• 高线：RCS ≤ 100×0.84/12.7 = 6.6 Ω ← DS 明令两算取小，高线是约束；
• 取标准值 RCS = 5.6 Ω（留 15% 裕量）。二次侧损耗 ≈ (12.6/100)²×5.6 ≈ 43 mW（本库推算）。

CS 滤波：RFILT = 1 kΩ（同时满足阻抗检查：230 µA×1 kΩ = 230 mV > VCS(TEST) max 200 mV）+ CFILT = 100 pF（τ = 100 ns，落在 50~150 ns 窗内，且 < TOCP1(LEB) 220 ns）。

消隐电路（图 31 方案）：双 PMOS 共源共阴 + 电荷泵，由 POLARITY/INVPOL 驱动（低有效）。设计核对四条：A−B 耐压 > VILIMIT 对应二次电压（1.4 V + VD）；B−A 耐压 > CT 复位电压（按 CT 磁化电流×复位电阻算）；B−A 导通阻抗 < RCS/10 = 0.56 Ω；载流能力与“或”二极管匹配（≈0.2 A 峰值，本库推算）。

步骤 7：ZCD 检测与 RM（式 9/5）

ZCD 元件选择：电阻法要求 RZCD = RCS/NS = 56 mΩ——但 ZCD 元件在主电流回路，损耗 = I²R ≈ 12.6²×0.056 = 8.9 W（本库推算），不可接受 → 750 W 级必须用第三只 CT，匝比与 RCS 同（1:100、5.6 Ω），eq.9 退化为“同配平”原则。小功率（<150 W，本库经验）电阻法才经济。

RM 上限（式 5）：KZCD = RZCD = RCS/NS = 0.056 Ω：

RM ≤ (0.95×90²×3.75×4.2)/(2×400×750×75 µ×0.056) = 121,196/2.52 = 48.1 kΩ → 取 47 kΩ。

VM 滤波：τ 取 75 µs（50~100 µs 中点）→ C = 75 µ/47 k = 1.5 nF。闭环校验（同 02 §8）：满载线峰 VM = 1.165 V → d = 0.689 vs 需求 0.682，1% 内闭合。

步骤 8：双驱动死区与同步门控预算（本库推算）

• 快桥臂有效死区 = TDT1 130 ns + 外部驱动器传播延迟（NCP51561 类典型 ~50 ns 级，按选型手册核对）→ 防直通预算 ≈ 180 ns 级；取 SiC/GaN 驱动负压关断时注意 TDT2 150 ns 强制关断窗口是否仍够放完门电荷。
• 同步管最小负载（自动圈定，无需外部设定）：ZCD 电压 = IL,downslope×RZCD' 须达 300 mV 武装阈值 → 低于该电流同步管自然退出；VLINE<220 mV（≈22 V 线幅值）过零附近同步强制关闭。
• CrM 谷底开通延迟 = TVD1/TVD2 50/45 ns + AUX 网络 CAUX 调校——CAUX 从 10 pF 起试（本库经验，DS 未给值）。

步骤 9：慢桥臂驱动与极性

SRH/SRL/POLARITY/INVPOL 直接由 VCC（12 V）供电输出。慢桥臂管选 Qg ≤ 100 nC 的 650 V 管（12 V 驱动、工频开关，驱动功耗 Qg×VCC×f ≈ 100 n×12×50×2 = 0.12 W，本库推算）；RG 取 5~10 Ω。极性检测网络：LVSNS 分压后各接 100 µs RC（步骤 4）。

步骤 10：VCC 系统与启动时序

VCC = 12 V（来自 LLC 辅源或独立辅源；NCP1681 无内部高压启动，辅源必须先于母线建立——通常由反激待机电源提供）。预算：ICC3(max) 4 mA + SR/POL 输出栅驱动 ~0.15 W + 消隐电荷泵 µA 级 → 辅源按 ≥0.5 W 设计（本库推算）。启动时序自查表：VCC>10.5 V → 线幅值 >1.1 V（BONOK 清）→ 4 个合法半周期（NDRV_EN=4）→ 极性上升沿 → PWML 开始。

步骤 11：FAULT 网络（OTP + VCC-OVP，本库示例）

NTC（100 kΩ、β≈4050，贴散热器）：46 µA 上拉 → 25 ℃ 时若 R=100 kΩ 则脚被内部钳位在 1.7 V（正常带）；RNTC 跌至 0.4 V/46 µA = 8.7 kΩ 时跳闸（该 NTC 约 90 ℃），回升过 0.92 V/46 µA = 20 kΩ 恢复（约 65 ℃）。VCC-OVP：14 V 稳压管 + 1 kΩ 从 VCC 接 FAULT → VCC ≈ 18.2 V 时注入电流超过钳位下拉能力（1.7 V/1.55 kΩ ≈ 1.1 mA）→ 锁存，保护 20 V 级栅驱动器（本库推算，须按所用稳压管实际 Vz 复核）。另并 1 nF 对地增强噪声免疫（DS 建议“少量外部电容”）。

步骤 12：AUX 网络（Bx）

按 DS 图 28：RAUX1 串入（无隔直二极管）、RAUX2 下拉（减小流入 ESD 器件的电流）、DAUX 肖特基对地钳位、CAUX 对地调校。阻容值 DS 未给（待核实），本库起点：RAUX1 = 1 kΩ、RAUX2 = 10 kΩ、CAUX = 10 pF，按谷底开通电压实测调。

3. 关键元件选型表（本库示例汇总）

3.1 损耗与母线电容速算（本库推算，供预算核对）

满载 90 VAC（最恶劣导通工况）的一阶损耗预算（750 W，η=0.95 目标 → 允许总损耗 ≈39 W）：

结论：功率级留给了后级 2 个点的效率空间，750 W 图腾柱整机 96% 级效率（本库经验值）可达；损耗大头在磁件与快桥臂开关——式 6 把转换点定在 250 W 的设计正是在磁损（CrM 大纹波）与开关损（CCM 硬开关）之间取平衡。

母线电容：按 100/120 Hz 二次纹波与 LLC 保持时间定容（本库经验：750 W 常取 2×420 µF/450 V）；PFC 侧的约束是快 OVP 430 V 瞬态与 burst 下限 374 V 之间的工作窗——选 450 V 额定后按纹波电流（≈Iin,rms 的 1.4 倍频成分）核温升。

3.2 设计自检单（提交评审前逐条勾）

• [ ] 电感饱和电流 ≥1.25×16.1 A，且 CrM 频段（30~60 kHz）磁芯损耗已核
• [ ] RCS 按高线 6.6 Ω 约束取值（不是低线的 8.7 Ω）
• [ ] RFILT ≥1 kΩ、CFILT 50~150 ns，且 LEB 220 ns 内不误动作
• [ ] RZCD 与 CS 配平（CT 同匝比同阻值）；消隐电路四条硬要求逐条核对
• [ ] RM ≤ 式 5 上限；VM 滤波 τ 50~100 µs
• [ ] LVSNS 两路分压同批电阻同比值；85 VAC 规格已核 BO 裕量
• [ ] FB 分压 → 快 OVP 430 V 与母线电容额定核对
• [ ] AUX 无隔直二极管；Ax 版 AUX 已接地
• [ ] FAULT：NTC 跳/恢复温度 + VCC 稳压管锁存点 + 盲点对策（陷阱 10）
• [ ] VCC 辅源先于母线建立、源阻抗 <360 Ω 预算
• [ ] TDT1 130 ns + 驱动器延迟 ≤ 外部死区预算；同步管五重门控逐条理解
• [ ] PFCOK 与 LLC 的握手协议（使能阈值、跳机命令脉冲串）双方接口冻结

4. 调试顺序建议（本库经验）

1. 空板静态：VCC 单独供电 → 核对 ICC1/ICC4；预启动阻抗检查通过（RFILT 正确）才有脉冲。
2. 低压调起：60 VAC/电子负载 10% → 抓极性信号、开环脉冲串（对 DS 图 16）、PWML/PWMH 角色互换。
3. 模式边界：负载/线压扫描，确认 CCM 边界与步骤 3 预估一致、无模式振荡（350/210 mV 迟滞生效）。
4. 过零质量：输入电流过零尖峰与 THD，对表 5 脉冲串与死区补偿逐项核对。
5. 保护演练：母线过压（软→快 OVP 分级）、掉电（71/78 VAC）、NTC 加热、CS 开路/短路注入。
6. 满压满载：效率、THD、BUV 联动（母线塌陷 500 ms 重启）、跳机/待机功耗。

精炼要点

上一级：NCP1681