汽車高壓低功耗開關(guān)電源芯片NCV107x的技術(shù)剖析與應(yīng)用設(shè)計

在電子設(shè)備的電源設(shè)計領(lǐng)域，開關(guān)電源（SMPS）以其高效、靈活的特點被廣泛應(yīng)用。今天，我們聚焦于安森美（onsemi）推出的NCV107x系列汽車高壓低功耗開關(guān)電源芯片，深入探討其功能特性、工作原理以及應(yīng)用設(shè)計要點。

文件下載：NCV1070-D.PDF

產(chǎn)品概述

NCV107x系列產(chǎn)品集成了固定頻率電流模式控制器和670 V的MOSFET，采用PDIP - 7封裝，具有高度集成的特點，適用于汽車及其他對安全性和可靠性要求較高的應(yīng)用場景。該系列包括NCV1072、NCV1075、NCV1076和NCV1077等型號，不同型號在電流限制、振蕩頻率等參數(shù)上有所差異。

很遺憾，在調(diào)用文庫搜索時出現(xiàn)超時錯誤，未能獲取到相關(guān)補充信息。不過我們繼續(xù)基于現(xiàn)有文檔內(nèi)容來深入分析。

產(chǎn)品特性

高集成度與高性能

• 內(nèi)置670 V MOSFET：不同型號的MOSFET導(dǎo)通電阻不同，如NCV1076/77的 (R_{DS(on)}) 為4.7 Ω ，NCV1072/75為11 Ω ，能夠滿足不同功率需求的設(shè)計。
• 電流模式固定頻率工作：提供65 kHz、100 kHz和130 kHz三種可選頻率，可根據(jù)實際應(yīng)用場景選擇合適的工作頻率。
• 多種保護功能：具備過流保護、過壓保護、短路保護、欠壓鎖定（UVLO）和熱關(guān)斷（TSD）等多種保護功能，有效提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

輕載高效特性

• 頻率折返功能：當(dāng)輸出功率需求降低時，芯片自動進入頻率折返模式，降低開關(guān)頻率，提高輕載效率。
• 跳周期操作：在極低負載情況下，芯片進入跳周期模式，減少不必要的開關(guān)損耗，進一步降低待機功耗，無負載輸入功耗可低于50 mW。

其他特性

• 動態(tài)自供電（DSS）：無需輔助繞組，通過內(nèi)部高壓電流源為芯片提供電源，簡化電路設(shè)計。
• 內(nèi)置軟啟動：1 ms的軟啟動時間可減少上電應(yīng)力，降低輸出過沖。
• 頻率抖動：通過±6%的頻率抖動，改善電磁干擾（EMI）特性。

關(guān)鍵參數(shù)與性能指標(biāo)

引腳功能

最大額定值

在使用NCV107x芯片時，需要注意各參數(shù)的最大額定值，如電源電壓 (V{CC}) 為 - 0.3 V至10 V，漏極電壓 (BV{dss}) 為 - 0.3 V至670 V等。超過這些額定值可能會損壞芯片，影響其正常工作和可靠性。

電氣特性

文檔詳細列出了該系列芯片在不同溫度和工作條件下的電氣特性參數(shù)，如啟動電壓 (V{CC(on)})、關(guān)斷電壓 (V{CC(off)})、MOSFET導(dǎo)通電阻 (R{DS(on)})、振蕩器頻率 (f{OSC}) 等。這些參數(shù)是設(shè)計開關(guān)電源時的重要依據(jù)，設(shè)計者需要根據(jù)實際應(yīng)用需求選擇合適的芯片型號和工作條件。

工作原理與應(yīng)用信息

啟動序列

當(dāng)電源從市電插座首次通電時，內(nèi)部電流源對 (V{CC}) 電容充電。當(dāng) (V{CC}) 電容電壓達到 (V{CC(on)}) 時，電流源關(guān)閉，輸出級開始輸出脈沖，激活功率MOSFET。隨著電路消耗， (V{CC}) 電容電壓下降，當(dāng)?shù)陀?(V{CC(min)}) 時，內(nèi)部電流源再次激活，將 (V{CC}) 提升至 (V_{CC(on)}) ，如此循環(huán)。

在設(shè)計時，需要合理選擇 (V{CC}) 電容的大小，以避免 (V{CC}) 電壓低于 (V{CC(off)}) 導(dǎo)致芯片停止工作?？筛鶕?jù)公式 (C{VCC} geq frac{I{CC1}D{max}}{f{OSC} cdot Delta V}) 計算 (V{CC}) 電容的最小值。

保護機制

短路保護

芯片通過持續(xù)監(jiān)測反饋線的活動來檢測短路情況。當(dāng)反饋電流低于閾值 (I{FB(fault)}) 時，啟動 (t{SCP}) 定時器。如果定時器結(jié)束后故障仍存在，芯片進入安全的自動恢復(fù)突發(fā)模式，經(jīng)過 (t_{recovery}) 時間后嘗試重新啟動。

過壓保護

當(dāng)使用輔助繞組為 (V{CC}) 引腳供電時，內(nèi)部有源鉗位會限制 (V{CC}) 的電壓。當(dāng)注入鉗位的電流超過6.0 mA時，控制器停止開關(guān)，并在 (t{recovery}) 時間后嘗試重新啟動。為防止過壓情況，可在輔助直流電平與 (V{CC}) 引腳之間插入限流電阻 (R{limit}) ，其取值范圍可通過公式 (frac{V{nom } - V{C C(clamp) }}{I{trip }} leq R{limit } leq frac{V{stby } - V{CC(min) }}{I{CCskip }}) 確定。

線路檢測

內(nèi)部比較器會監(jiān)測漏極電壓，在短路保護、 (V{CC}) 過壓保護、欠壓鎖定或熱關(guān)斷恢復(fù)后，如果漏極電壓低于內(nèi)部閾值 (V{HV(EN)}) ，則禁止內(nèi)部功率開關(guān)，避免在過低的交流輸入下工作。

頻率折返與跳周期操作

為提高輕載效率，芯片采用了頻率折返和跳周期操作。當(dāng)反饋電流達到 (I{FBfold}) 時，振蕩器開始降低開關(guān)頻率；當(dāng)反饋電流達到 (I{FBfold(end)}) 時，開關(guān)頻率降至 (F_{min}) 。若此時輸出功率繼續(xù)下降，芯片進入跳周期模式，減少不必要的開關(guān)損耗。

設(shè)計流程與應(yīng)用實例

設(shè)計步驟

確定輸入輸出參數(shù)

首先需要確定輸入電壓范圍 (V{in})、輸出電壓 (V{out}) 和輸出功率 (P{out}) 等參數(shù)。例如，假設(shè) (V{in} min = 90 Vac)（整流后為127 Vdc）， (V{in} max = 265 Vac)（整流后為375 Vdc）， (V{out}= 12 V)， (P_{out}= 10 W)，工作模式為連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM），效率 (eta = 0.8)。

確定匝數(shù)比

為避免橫向MOSFET體二極管正向偏置，選擇的匝數(shù)比 (N) 需滿足 (N(V{out} + V{f}) < V_{in,min})。在上述例子中，可選擇反射電壓最大為120 Vdc，計算得到匝數(shù)比 (Np:Ns < 9.6)，這里選擇 (N = 8)。

計算初級電感

根據(jù)公式 (L=frac{(V{in} d)^{2}}{f{sw } K P_{in }}) 計算初級電感，其中 (K) 為紋波系數(shù)。選擇 (K = 1)（50%紋波）時，計算得到初級電感 (L = 3.8 mH)。

計算損耗

分別計算導(dǎo)通損耗、關(guān)斷損耗和開通損耗，得到理論總功率損耗。同時，若芯片工作在DSS模式下，還需考慮DSS模式帶來的損耗。

MOSFET保護

為保護MOSFET，需要限制其漏極電壓在安全范圍內(nèi)?？刹捎煤唵坞娙荨CD網(wǎng)絡(luò)或齊納二極管/TVS等方式進行鉗位保護，根據(jù)實際應(yīng)用場景選擇合適的保護方案。

應(yīng)用實例

以基于NCV1075的10 W反激式轉(zhuǎn)換器為例，通過短路J3禁用DSS功能，反饋通過NCP431實現(xiàn)。測試結(jié)果顯示，在不同輸入電壓下，采用輔助繞組為芯片供電時，無負載功耗在26 mW至45 mW之間，體現(xiàn)了該芯片在低功耗應(yīng)用中的優(yōu)勢。

總結(jié)與展望

NCV107x系列芯片憑借其高集成度、豐富的保護功能和優(yōu)異的輕載效率，為汽車及其他應(yīng)用領(lǐng)域的開關(guān)電源設(shè)計提供了一種可靠的解決方案。在實際設(shè)計過程中，工程師需要深入理解芯片的工作原理和性能指標(biāo)，結(jié)合具體應(yīng)用需求進行合理的電路設(shè)計和參數(shù)選擇。同時，隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，對于開關(guān)電源的性能要求也在不斷提高，未來的芯片可能會在集成度、效率、EMI特性等方面進一步優(yōu)化，為電子設(shè)備的發(fā)展提供更強大的支持。

各位工程師朋友，在使用NCV107x芯片進行設(shè)計時，你們遇到過哪些問題或有哪些獨特的設(shè)計經(jīng)驗?zāi)?？歡迎在評論區(qū)分享交流。