深入解析 onsemi NCV898031：2 MHz 非同步 SEPIC/升壓控制器的卓越性能與應(yīng)用

在電子工程師的日常工作中，電源管理芯片的選擇至關(guān)重要。今天，我們將深入探討 onsemi 推出的 NCV898031，一款 2 MHz 非同步 SEPIC/升壓控制器，它在電源調(diào)節(jié)領(lǐng)域展現(xiàn)出了卓越的性能和廣泛的應(yīng)用前景。

文件下載：NCV898031-D.PDF

一、NCV898031 概述

NCV898031 是一款可調(diào)節(jié)輸出的非同步 2 MHz SEPIC/升壓控制器，能夠驅(qū)動(dòng)外部 N 溝道 MOSFET。它采用峰值電流模式控制，并具備內(nèi)部斜率補(bǔ)償功能，內(nèi)部調(diào)節(jié)器可為柵極驅(qū)動(dòng)器提供電荷。該芯片擁有豐富的保護(hù)特性，如內(nèi)部設(shè)定的軟啟動(dòng)、欠壓鎖定、逐周期電流限制和熱關(guān)斷等，同時(shí)還具備低靜態(tài)電流睡眠模式和與微處理器兼容的使能引腳。

（一）關(guān)鍵特性

1. 控制模式：采用峰值電流模式控制，結(jié)合內(nèi)部斜率補(bǔ)償，能快速響應(yīng)線路電壓變化，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的控制。
2. 參考電壓：提供 1.2 V、精度為 2%的參考電壓，確保輸出電壓的穩(wěn)定性。
3. 頻率與電壓范圍：2 MHz 固定頻率運(yùn)行，輸入電壓范圍為 3.2 V 至 40 V，可承受 45 V 的負(fù)載突降。
4. 保護(hù)功能：具備多種保護(hù)機(jī)制，如逐周期電流限制、打嗝模式過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)和熱關(guān)斷等，保障芯片在各種異常情況下的安全運(yùn)行。
5. 低功耗：睡眠模式下靜態(tài)電流典型值小于 10 μA，有效降低功耗。
6. 汽車級(jí)應(yīng)用：帶有 NCV 前綴，適用于汽車及其他對(duì)獨(dú)特場(chǎng)地和控制變更有要求的應(yīng)用，符合 AEC - Q100 標(biāo)準(zhǔn)并具備 PPAP 能力。
7. 環(huán)保設(shè)計(jì)：為無(wú)鉛器件，符合環(huán)保要求。

（二）典型應(yīng)用

NCV898031 適用于多種場(chǎng)景，如小尺寸負(fù)載點(diǎn)電源調(diào)節(jié)、頭燈和背光等。

二、引腳功能與電氣特性

（一）引腳描述

（二）電氣特性

NCV898031 在不同工作條件下具有明確的電氣參數(shù)，涵蓋靜態(tài)電流、振蕩器參數(shù)、使能引腳特性、電流檢測(cè)放大器特性、電壓誤差放大器特性、柵極驅(qū)動(dòng)器特性、欠壓鎖定、短路保護(hù)和熱關(guān)斷等方面。例如，睡眠模式下靜態(tài)電流在不同溫度和輸入電壓條件下有相應(yīng)的取值范圍；振蕩器的開(kāi)關(guān)頻率典型值為 2.0 MHz 等。這些參數(shù)為工程師在設(shè)計(jì)電路時(shí)提供了重要的參考依據(jù)。

三、工作原理與控制策略

（一）電流模式控制

NCV898031 采用電流模式控制方案，PWM 斜坡信號(hào)源自功率開(kāi)關(guān)電流。該斜坡信號(hào)與誤差放大器的輸出進(jìn)行比較，以控制功率開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間。振蕩器作為固定頻率時(shí)鐘，確保恒定的工作頻率。與傳統(tǒng)電壓模式控制相比，電流模式控制具有諸多優(yōu)勢(shì)：能立即響應(yīng)線路電壓變化，消除輸出濾波器和誤差放大器帶來(lái)的延遲；具備固有的逐脈沖電流限制功能；反饋回路中的濾波器僅提供單極點(diǎn)，便于進(jìn)行更簡(jiǎn)單的補(bǔ)償。此外，芯片還采用了斜率補(bǔ)償方案，通過(guò)振蕩器生成的固定斜坡與電流斜坡相加，在不犧牲電流模式控制優(yōu)勢(shì)的前提下，提高電路穩(wěn)定性。

（二）電流限制

芯片具備兩種電流限制保護(hù)機(jī)制：峰值電流模式和過(guò)流鎖定。當(dāng)電流檢測(cè)放大器在電流限制前沿消隱時(shí)間后檢測(cè)到 ISNS 和 GND 之間的電壓超過(guò)峰值電流限制時(shí)，峰值電流限制會(huì)使功率開(kāi)關(guān)在該周期的剩余時(shí)間內(nèi)關(guān)斷?？赏ㄟ^(guò)連接 ISNS 到 GND 的電阻來(lái)設(shè)置電流限制，計(jì)算公式為 (R = V{CL} / I{limit})。若電流檢測(cè)電阻兩端的電壓超過(guò)過(guò)流閾值電壓，芯片將進(jìn)入過(guò)流打嗝模式，在打嗝時(shí)間內(nèi)保持關(guān)斷，然后進(jìn)行軟啟動(dòng)程序。

（三）短路保護(hù)

當(dāng)短路使能位設(shè)置為 (SCE = Y) 時(shí)，芯片會(huì)嘗試保護(hù)功率 MOSFET 免受損壞。當(dāng)輸出電壓在初始短路消隱時(shí)間后低于短路跳閘電壓時(shí)，芯片進(jìn)入短路鎖定關(guān)斷狀態(tài)，在打嗝時(shí)間內(nèi)保持關(guān)斷，然后進(jìn)行軟啟動(dòng)。

（四）使能功能

使能引腳有兩種模式。施加直流邏輯高電平（CMOS/TTL 兼容）時(shí)，芯片以編程頻率運(yùn)行；施加直流邏輯低電平時(shí)，芯片進(jìn)入低靜態(tài)電流睡眠模式。芯片在使能信號(hào)下降沿后需要 2 個(gè)時(shí)鐘周期停止開(kāi)關(guān)操作。為避免上電問(wèn)題，EN/SYNC 信號(hào)應(yīng)在 VIN 施加電壓后至少 500 μs 施加。若 VIN 引腳電壓在 EN 引腳為邏輯高電平時(shí)低于 UVLO，VIN 恢復(fù)到 UVLO 以上時(shí)芯片可能無(wú)法上電，需將 EN 引腳從邏輯低電平轉(zhuǎn)換為邏輯高電平以恢復(fù)正常工作狀態(tài)。

（五）欠壓鎖定（UVLO）

輸入欠壓鎖定功能確保當(dāng) VIN 過(guò)低無(wú)法支持內(nèi)部電源軌和為控制器供電時(shí)，芯片不會(huì)出現(xiàn)意外行為。當(dāng)使能且 VIN 超過(guò) UVLO 閾值加上 UVLO 遲滯時(shí)，芯片啟動(dòng)；當(dāng) VIN 低于 UVLO 閾值或芯片被禁用時(shí)，芯片關(guān)閉。為避免在 UVLO 條件下出現(xiàn)鎖定狀態(tài)，EN 引腳應(yīng)處于邏輯低電平。

（六）內(nèi)部軟啟動(dòng)

為確保適度的浪涌電流并減少輸出過(guò)沖，NCV898031 采用軟啟動(dòng)功能，通過(guò)固定電流對(duì)電容充電來(lái)提升參考電壓。

（七）VDRV 驅(qū)動(dòng)電壓

內(nèi)部調(diào)節(jié)器為柵極驅(qū)動(dòng)器提供驅(qū)動(dòng)電壓，需通過(guò)陶瓷電容接地旁路以確?？焖匍_(kāi)啟時(shí)間。電容值應(yīng)根據(jù)外部 MOSFET 的開(kāi)關(guān)速度和電荷要求在 0.1 μF 至 1 μF 之間選擇。

四、應(yīng)用設(shè)計(jì)方法

（一）SEPIC 拓?fù)鋺?yīng)用

在連續(xù)導(dǎo)通模式 SEPIC 應(yīng)用中，NCV898031 的組件選擇過(guò)程包括以下步驟：

1. 定義操作參數(shù)：確定最小輸入電壓 (V{IN(min)})、最大輸入電壓 (V{IN(max)})、輸出電壓 (V{OUT})、最大輸出電流 (I{OUT(max)}) 和期望的逐周期電流限制 (I{CL})，并計(jì)算理想的最小和最大占空比。需注意實(shí)際占空比會(huì)因轉(zhuǎn)換中的功率損耗而更高，且若計(jì)算得到的最壞情況占空比 (D{WC}) 超過(guò)芯片的 (D{max}) 限制，轉(zhuǎn)換將無(wú)法實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，要確保滿足 (frac{D{min}}{f{s}} geq t{on(min)}) 條件，否則芯片在高 (V_{IN}) 時(shí)會(huì)跳過(guò)脈沖。
2. 選擇電流檢測(cè)電阻：根據(jù) (R{S}=frac{V{CL}}{I{CL}}) 選擇電流檢測(cè)電阻，其中 (V{CL}) 為電流限制閾值電壓，(I_{CL}) 為期望的電流限制。
3. 選擇 SEPIC 電感：電感的選擇要考慮電流紋波，一般選擇在最壞情況 (V{IN}) 下最大負(fù)載時(shí)電感電流的 20 - 40%作為峰 - 峰紋波。根據(jù)公式 (L=frac{V{IN(WC)} D{WC}}{Delta I{L max } f_{s}}) 計(jì)算電感值，同時(shí)計(jì)算最大平均電感電流和峰值電感電流。
4. 選擇耦合電容：耦合電容需選擇低 ESR 陶瓷電容，預(yù)算 2 - 5%的耦合電容紋波電壓是合理的。若存在諧振問(wèn)題，可能需要在耦合電容上并聯(lián) RC 阻尼網(wǎng)絡(luò)。
5. 選擇輸出電容：輸出電容用于平滑輸出電壓，減少線路瞬變引起的過(guò)沖和下沖。需計(jì)算穩(wěn)態(tài)輸出紋波和電容需承受的 RMS 紋波電流，建議使用并聯(lián)陶瓷旁路電容以改善瞬態(tài)響應(yīng)。
6. 選擇輸入電容：輸入電容用于減少模塊輸入電壓紋波，其 RMS 電流可根據(jù)公式 (I{Cin(RMS)}=frac{Delta I{L 1}}{sqrt{12}}) 計(jì)算。
7. 選擇反饋電阻：反饋電阻構(gòu)成電阻分壓器，通過(guò)公式 (R{upper }=R{lower } frac{left(V{out }-V{ref }right)}{V_{ref }}) 計(jì)算上反饋電阻值，總反饋電阻應(yīng)在 1 kΩ - 100 kΩ 范圍內(nèi)。
8. 選擇補(bǔ)償器組件：采用電流模式控制方法允許使用簡(jiǎn)單的 Type II 補(bǔ)償來(lái)優(yōu)化動(dòng)態(tài)響應(yīng)，需計(jì)算最大 RMS 電流和 MOSFET 兩端的最大電壓。
9. 選擇 MOSFET：為確保柵極驅(qū)動(dòng)電壓不下降，所選 MOSFET 的總柵極電荷 (Q{g(total)}) 應(yīng)滿足 (Q{g( total )} leq frac{I{drv}}{f{s}})。
10. 選擇二極管：輸出二極管用于整流輸出電流，其平均電流等于輸出電流，需能承受輸出電壓和最大輸入電壓中的較高值，同時(shí)計(jì)算二極管的最大功耗。

（二）升壓拓?fù)鋺?yīng)用

在連續(xù)導(dǎo)通模式升壓應(yīng)用中，組件選擇過(guò)程與 SEPIC 拓?fù)漕愃疲唧w步驟如下：

1. 定義操作參數(shù)：確定相關(guān)參數(shù)并計(jì)算理想的最小和最大占空比，同樣要注意占空比的實(shí)際情況和限制條件。
2. 選擇電流檢測(cè)電阻：方法與 SEPIC 拓?fù)湎嗤?/li>
3. 選擇輸出電感：考慮電流紋波，根據(jù)公式 (L=frac{V{IN(WC) } D{WC}}{Delta I{L, max } f{S} V_{OUT }}) 計(jì)算電感值，并計(jì)算最大平均電感電流和峰值電感電流。
4. 選擇輸出電容：計(jì)算穩(wěn)態(tài)輸出紋波和電容需承受的 RMS 紋波電流，建議使用并聯(lián)陶瓷旁路電容。
5. 選擇輸入電容：根據(jù)公式 (I{Cin(RMS)}=frac{V{IN(WC)}^{2} D{WC}}{L f{s} V_{OUT } 2 sqrt{3}}) 計(jì)算輸入電容的 RMS 電流。
6. 選擇反饋電阻：方法與 SEPIC 拓?fù)湎嗤?/li>
7. 選擇補(bǔ)償器組件：采用 Type II 補(bǔ)償優(yōu)化動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
8. 選擇 MOSFET：滿足 (Q{g( total )} leq frac{I{drv}}{f_{s}}) 條件，計(jì)算最大 RMS 電流和 MOSFET 兩端的最大電壓。
9. 選擇二極管：平均電流等于輸出電流，能承受輸出電壓和最大輸入電壓中的較高值，計(jì)算最大功耗。
10. 確定反饋回路補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)：補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的目的是穩(wěn)定轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，通過(guò)優(yōu)化補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入線路和負(fù)載瞬變的穩(wěn)定調(diào)節(jié)響應(yīng)。補(bǔ)償器設(shè)計(jì)涉及在閉環(huán)傳遞函數(shù)中放置極點(diǎn)和零點(diǎn)，同時(shí)要考慮各種損耗對(duì)增益和補(bǔ)償表達(dá)式的影響。

五、低電壓操作

當(dāng)輸入電壓低于 UVLO 或 MOSFET 閾值電壓時(shí)，可使用另一個(gè)電壓為設(shè)備供電。只需將需要升壓的電壓連接到電感，將穩(wěn)定電壓連接到設(shè)備的 VIN 引腳。在升壓配置中，轉(zhuǎn)換器的輸出可用于為設(shè)備供電。在某些情況下，可通過(guò)二極管將兩個(gè)電源連接到 VIN 引腳。

六、機(jī)械封裝與尺寸

NCV898031 采用 SOIC - 8 NB 封裝，文檔提供了詳細(xì)的封裝尺寸信息，包括各引腳的定義和不同封裝樣式的引腳功能說(shuō)明。同時(shí)，還給出了焊接焊盤的相關(guān)信息。

七、總結(jié)

NCV898031 作為一款功能強(qiáng)大的 2 MHz 非同步 SEPIC/升壓控制器，憑借其豐富的特性、可靠的保護(hù)功能和靈活的應(yīng)用設(shè)計(jì)方法，為電子工程師在電源管理領(lǐng)域提供了一個(gè)優(yōu)秀的選擇。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，仔細(xì)選擇組件并進(jìn)行合理的參數(shù)計(jì)算，以確保電路的性能和穩(wěn)定性。同時(shí)，要關(guān)注芯片的電氣特性和工作原理，充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，從而設(shè)計(jì)出高效、可靠的電源系統(tǒng)。你在使用 NCV898031 或類似電源管理芯片時(shí)遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。