汽車同步降壓控制器NCV891930：功能特性與設(shè)計指南

在汽車電子領(lǐng)域，電源管理是一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。onsemi推出的NCV891930是一款適用于汽車應(yīng)用的2 MHz固定頻率低靜態(tài)電流降壓控制器，它具備多種先進(jìn)特性，能滿足汽車電子系統(tǒng)對電源的嚴(yán)格要求。下面我們就來詳細(xì)了解一下這款控制器。

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一、NCV891930概述

NCV891930可在高達(dá)38 V（典型值）的電壓下工作，能將汽車輸入電壓范圍從3.5 V（啟動時為4.5 V）轉(zhuǎn)換到18 V，且開關(guān)頻率高于敏感的AM頻段，無需昂貴的濾波器和EMI對策。它采用峰值電流模式控制，具有快速瞬態(tài)響應(yīng)和在寬輸入電壓及輸出負(fù)載范圍內(nèi)的嚴(yán)格調(diào)節(jié)能力。同時，該器件內(nèi)部集成了反饋補(bǔ)償，簡化了設(shè)計。

二、關(guān)鍵特性

2.1 低靜態(tài)電流與高效能

在無負(fù)載情況下，工作電流僅為30 A，75 mV電流限制感應(yīng)，能有效降低功耗。采用高電壓偏置穩(wěn)壓器，并可自動切換到外部5 V偏置電源，提高了效率。

2.2 高開關(guān)頻率與低紋波

2 MHz的工作頻率，即使使用小電感值和全陶瓷輸出濾波電容，也能產(chǎn)生低輸出電壓紋波，形成高效的開關(guān)解決方案。

2.3 豐富的保護(hù)功能

具備UVLO（欠壓鎖定）、電流限制、短路保護(hù)和熱關(guān)斷等多種保護(hù)特性，確保系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

2.4 可配置輸出電壓

通過板載選擇固定輸出電壓，并帶有鎖定功能，能滿足不同應(yīng)用的需求。

2.5 同步與擴(kuò)展頻譜

可與時鐘或其他NCV891930同步，集成擴(kuò)展頻譜功能，降低峰值輻射發(fā)射。

2.6 封裝與兼容性

采用QFN封裝，帶有可焊側(cè)翼，符合AEC - Q100標(biāo)準(zhǔn)，適用于汽車及其他有特殊要求的應(yīng)用。同時，該器件無鉛、無鹵素、符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)。

三、電氣特性

3.1 輸入電壓相關(guān)特性

• 欠壓鎖定（UVLO）：啟動閾值為4.0 - 4.5 V，停止閾值為3.2 - 3.5 V，具有一定的滯后特性。
• 過壓監(jiān)測：當(dāng)輸入電壓超過37 V（最小值）時，自動終止開關(guān)并禁用輸出，但能承受高達(dá)45 V的輸入電壓。
• 頻率折返：當(dāng)輸入電壓在20 V至38 V（典型值）之間時，開關(guān)頻率折返至1 MHz，有助于降低MOSFET開關(guān)功率損耗。

3.2 輸出電壓特性

輸出電壓可通過VSEL引腳進(jìn)行編程，連接到地時輸出為VSEL_LO，連接到DBIAS時輸出為VSEL_HI。電壓設(shè)置選項在軟啟動前鎖定，EN引腳切換或UVLO事件時重置。

3.3 其他特性

• 同步特性：SYNCO輸出脈沖可用于同步其他NCV891930 IC，SYNCI輸入可控制開關(guān)頻率。
• 軟啟動：通過外部軟啟動電容實現(xiàn)可調(diào)節(jié)的軟啟動功能，減少浪涌電流和輸出電壓過沖。
• 電流限制：具有正電流限制閾值和負(fù)電流限制閾值，確保系統(tǒng)在過流情況下的安全。

四、詳細(xì)操作描述

4.1 輸入電壓處理

欠壓鎖定電路可監(jiān)測輸入電壓，在電壓不足時抑制開關(guān)并重置軟啟動電路。過壓監(jiān)測電路在輸入電壓超過37 V時自動終止開關(guān)并禁用輸出。當(dāng)輸入電壓較低時，為維持輸出調(diào)節(jié)，可能會跳過一個或多個GH關(guān)斷脈沖，導(dǎo)致開關(guān)頻率降低。

4.2 輸出電壓設(shè)置

輸出電壓可通過VSEL引腳進(jìn)行編程，設(shè)置選項需在通過EN引腳啟用IC之前選擇，并在軟啟動前鎖定。

4.3 軟啟動功能

通過內(nèi)部10 mA電流源對連接到SSC引腳的外部軟啟動電容充電實現(xiàn)軟啟動。在軟啟動期間，SYNCI功能禁用，控制器工作在二極管仿真模式，允許脈沖跳過。

4.4 峰值電流模式控制

采用電流模式控制方案，PWM斜坡信號來自功率開關(guān)電流，與誤差放大器輸出比較控制功率開關(guān)導(dǎo)通時間。內(nèi)部生成固定斜率補(bǔ)償信號，避免電感紋波電流分叉導(dǎo)致的輸出電壓紋波增加。

4.5 短路保護(hù)

當(dāng)電感峰值電流達(dá)到電流限制閾值時，占空比限制發(fā)生，輸出電壓相應(yīng)折返。在嚴(yán)重短路情況下，會跳過GH脈沖，GL脈沖繼續(xù)工作。

4.6 復(fù)位功能

RSTB引腳為高阻抗節(jié)點，當(dāng)VOUT引腳電壓超出調(diào)節(jié)范圍時，經(jīng)過短噪聲濾波延遲后，RSTBx輸出被拉低?？赏ㄟ^設(shè)置RSTB引腳電流來確定復(fù)位延遲時間。

4.7 使能功能

EN引腳可接受邏輯電平信號或電池電壓作為使能信號。低電平信號使IC進(jìn)入關(guān)斷模式，最小化電源電流。IC啟用后，總是啟動軟啟動。

4.8 占空比和最大脈沖寬度限制

最大GH占空比由最小允許GH關(guān)斷時間定義，當(dāng)VIN < VIN_LOW且達(dá)到最大占空比時，可能會跳過一個或多個GH關(guān)斷脈沖以維持輸出電壓調(diào)節(jié)。

4.9 反饋電壓誤差放大器

采用運算跨導(dǎo)放大器（OTA）處理反饋電壓信息，輸出可吸收/源出高達(dá)3 μA電流。在不同工作模式下，OTA輸出有不同的最小電壓鉗位。

4.10 自舉功能

啟動時，通過一系列八個250 ns的GL脈沖對自舉電容充電，然后SSC引腳才能上升。

4.11 驅(qū)動器功能

具有用于開關(guān)外部N溝道MOSFET的柵極驅(qū)動器，包括自適應(yīng)非重疊電路，可提高效率，防止MOSFET交叉導(dǎo)通。

4.12 同步功能

V_SO為SYNCO輸出驅(qū)動器供電，SYNCO脈沖可同步其他NCV891930 IC。SYNCI輸入控制開關(guān)頻率，在軟啟動后，當(dāng)SSC電壓 > 1.075 V時，SYNCO激活。

4.13 二極管仿真模式

當(dāng)SYNCI開路或接地時，二極管仿真模式激活，檢測電感電流為0 A時，關(guān)閉低側(cè)MOSFET以防止負(fù)電感電流。

4.14 脈沖跳過模式

在接近不連續(xù)導(dǎo)通模式時使用脈沖跳過模式，通過監(jiān)測內(nèi)部電壓反饋OTA補(bǔ)償輸出電壓來判斷是否進(jìn)入該模式，以提高低電流運行效率。

4.15 反饋環(huán)路測量

補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和電壓反饋OTA集成在IC內(nèi)部，可通過在電源輸出和IC - VOUT之間注入信號來測量開環(huán)響應(yīng)，但在二極管仿真模式下，脈沖跳過時OTA反饋環(huán)路禁用。

4.16 電流限制和過流保護(hù)

電流限制激活傳播延遲約為39 ns，盡管存在延遲，電壓調(diào)節(jié)仍可繼續(xù)。

4.17 振蕩器

ROSC電阻值可在2 MHz至2.5 MHz范圍內(nèi)編程開關(guān)頻率，頻率折返時，fROSC頻率為1 MHz。

4.18 擴(kuò)展頻譜

采用偽隨機(jī)發(fā)生器將振蕩器頻率設(shè)置為8個離散頻率區(qū)間之一，降低2 MHz基頻的峰值能量，將其擴(kuò)展到更寬頻帶。

4.19 熱關(guān)斷

當(dāng)內(nèi)部溫度超過熱關(guān)斷激活溫度時，熱關(guān)斷電路抑制開關(guān)并重置軟啟動電路，溫度恢復(fù)到安全水平時自動恢復(fù)開關(guān)。

4.20 效率優(yōu)化

在高低側(cè)晶體管都關(guān)斷的短暫時間內(nèi)，自由輪電流通過低側(cè)晶體管的本征體二極管流動，可使用肖特基二極管跨接低側(cè)晶體管以提高效率。

五、應(yīng)用信息

5.1 設(shè)計方法

5.1.1 操作參數(shù)定義

確定輸入電壓范圍、輸出電壓、輸出電流范圍、期望的典型電流限制等參數(shù)，并進(jìn)行基本計算，如最小、典型和最大占空比。

5.1.2 開關(guān)頻率選擇

選擇開關(guān)頻率需要在元件尺寸和功率損耗之間進(jìn)行權(quán)衡。較高的開關(guān)頻率允許使用較小的電感和電容值，但會增加MOSFET的開關(guān)損耗，降低效率?？赏ㄟ^ROSC編程頻率，并使用SYNC引腳動態(tài)調(diào)整頻率。

5.1.3 輸出電感選擇

從機(jī)械和電氣角度考慮，選擇合適的電感值以滿足紋波電流和瞬態(tài)響應(yīng)要求。同時，要考慮電感的飽和電流和效率。

5.1.4 電流感測電阻選擇

根據(jù)電感電流和電流感測放大器的輸出，選擇合適的電流感測電阻值。

5.1.5 輸出電容選擇

推薦使用鋁聚合物/混合大容量電容器與陶瓷電容器結(jié)合，以滿足輸出濾波器的要求。根據(jù)最大允許輸出電壓過沖和電感啟動過沖電流，選擇合適的電容值。

5.1.6 輸入電容選擇

輸入EMI電容器需承受高側(cè)MOSFET導(dǎo)通時產(chǎn)生的紋波電流，并具有低ESR以減少損耗。通常將陶瓷電容器與大容量電解/聚合物輸入電容器并聯(lián)使用。

5.1.7 熱考慮

使用2 oz（70微米）銅用于高電流處理層，采用4層或更多層電路板以促進(jìn)熱管理。將控制器放置在同步MOSFET開關(guān)附近，并最大化IC下方的散熱表面積，使用熱過孔。

六、總結(jié)

NCV891930是一款功能強(qiáng)大的汽車同步降壓控制器，具有低靜態(tài)電流、高開關(guān)頻率、豐富的保護(hù)功能和可配置輸出電壓等優(yōu)點。在設(shè)計汽車電子電源系統(tǒng)時，工程師可以根據(jù)其特性和應(yīng)用信息，合理選擇外部元件，以實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的電源解決方案。同時，要注意在實際應(yīng)用中進(jìn)行參數(shù)驗證和優(yōu)化，確保系統(tǒng)的性能和可靠性。你在使用NCV891930或其他類似控制器時，遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。