汽車級非同步升壓控制器 NCV8871 深度解析

在電子工程師的設計工作中，選擇合適的升壓控制器至關重要。今天我們就來深入探討 onsemi 推出的汽車級非同步升壓控制器 NCV8871，了解它的特性、工作原理以及應用設計方法。

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一、NCV8871 概述

NCV8871 是一款可調節(jié)輸出的非同步升壓控制器，能夠驅動外部 N 溝道 MOSFET。它采用峰值電流模式控制，并具備內部斜率補償功能。內部調節(jié)器為柵極驅動器提供電荷，還集成了多種保護特性，如內部設置的軟啟動、欠壓鎖定、逐周期電流限制、打嗝模式短路保護和熱關斷等。此外，它還具有低靜態(tài)電流睡眠模式和外部可同步的開關頻率等特點。

1.1 特性亮點

• 峰值電流模式控制：結合內部斜率補償，能快速響應線路電壓變化，消除輸出濾波器和誤差放大器帶來的延遲，實現逐周期電流限制，簡化補償設計。
• 寬輸入電壓范圍：支持 3.2 V 至 40 Vdc 的輸入電壓，能承受 45 V 的負載突降，適應多種復雜的電源環(huán)境。
• 豐富的保護功能：全方位保障電路安全，延長設備使用壽命。
• 低靜態(tài)電流睡眠模式：有效降低功耗，提高能源效率。
• 外部可同步開關頻率：方便與其他電路同步工作，增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1.2 產品規(guī)格

• 參考電壓：1.2 V ±2%，提供穩(wěn)定的電壓基準。
• 固定頻率操作：不同型號的開關頻率有所不同，如 NCV887100 為 170 kHz，NCV887103 為 340 kHz 等。
• 軟啟動時間：根據型號不同，軟啟動時間在 3.7 ms 至 7.4 ms 之間，可有效減少涌入電流和輸出過沖。

二、引腳功能與絕對最大額定值

2.1 引腳連接與功能

2.2 絕對最大額定值

在使用 NCV8871 時，必須嚴格遵守其絕對最大額定值，否則可能會損壞器件。例如，直流電源電壓（VIN）范圍為 -0.3 至 40 V，峰值瞬態(tài)電壓（負載突降時的 VIN）為 45 V 等。

三、工作原理

3.1 電流模式控制

NCV8871 采用電流模式控制方案，PWM 斜坡信號源自功率開關電流。該斜坡信號與誤差放大器的輸出進行比較，以控制功率開關的導通時間。振蕩器作為固定頻率時鐘，確保恒定的工作頻率。與傳統(tǒng)電壓模式控制相比，電流模式控制具有響應速度快、能實現逐周期電流限制和簡化補償等優(yōu)勢。同時，內部斜率補償方案通過在電流斜坡上疊加固定斜坡，提高了電路的穩(wěn)定性。

3.2 電流限制

NCV8871 具備兩種電流限制保護：峰值電流模式和過流鎖定。當電流檢測放大器在電流限制前沿消隱時間后檢測到 ISNS 和 GND 之間的電壓超過峰值電流限制時，峰值電流限制會使功率開關在該周期的剩余時間內關斷?？赏ㄟ^從 ISNS 到 GND 的電阻設置電流限制。若電流檢測電阻兩端的電壓超過過流閾值電壓，器件將進入過流打嗝模式，關閉一段時間后再進行軟啟動。

3.3 短路保護

當短路使能位設置為（SCE = Y）時，器件會保護功率 MOSFET 免受損壞。當輸出電壓在初始短路消隱時間后低于短路跳閘電壓時，器件進入短路鎖定狀態(tài)，關閉一段時間后再進行軟啟動。

3.4 EN/SYNC 引腳功能

EN/SYNC 引腳有三種工作模式：高電平時，器件以編程頻率工作；低電平時，進入低靜態(tài)電流睡眠模式；施加至少為自由運行開關頻率 (% f_{sync, min }) 的方波時，開關以方波頻率工作。為避免上電問題，EN/SYNC 信號應在 VIN 施加電壓后至少 500 μs 再施加。

3.5 UVLO（欠壓鎖定）

輸入欠壓鎖定功能確保當 VIN 過低無法支持內部電源軌和為控制器供電時，器件不會出現意外行為。當 VIN 超過 UVLO 閾值加上 UVLO 遲滯時，器件啟動；當 VIN 低于 UVLO 閾值或器件被禁用時，器件關閉。

3.6 內部軟啟動

為確保適度的涌入電流并減少輸出過沖，NCV8871 采用軟啟動功能，通過固定電流對電容充電來提升參考電壓。軟啟動時間與開關頻率相關，若同步到兩倍默認開關頻率，軟啟動時間將減半。

3.7 VDRV

內部調節(jié)器為柵極驅動器提供驅動電壓，需使用陶瓷電容接地旁路，電容值在 0.1 μF 至 1 μF 之間，具體取決于外部 MOSFET 的開關速度和電荷要求。

四、應用設計

4.1 連續(xù)傳導模式升壓設計

4.1.1 定義操作參數

在設計前，需明確應用的操作參數，如最小輸入電壓 (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}) 等。根據這些參數計算理想的最小和最大占空比 (D{min}) 和 (D{max})。同時，要確保計算得到的 (D{max}) 不超過 NCV8871 的 (D_{max}) 限制，否則轉換可能無法實現。

4.1.2 選擇電流檢測電阻

電流檢測依賴 MOSFET 電流信號，可通過在 MOSFET 源極與器件地之間連接電流檢測電阻來實現。電阻值根據 (R{S}=frac{V{CL}}{I_{CL}}) 計算。

4.1.3 選擇輸出電感

輸出電感控制開關周期內的電流紋波，合適的紋波值一般為最大負載下電感電流的 20 - 40%。根據公式 (L=frac{V{IN(WC)} D{WC}}{Delta I{L max } f{s}}) 計算電感值，同時計算最大平均電感電流 (I{LAVG}) 和峰值電感電流 (I{L, peak})。

4.1.4 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沖和下沖。根據公式計算穩(wěn)態(tài)輸出紋波和電容需承受的 RMS 紋波電流。建議使用多個陶瓷旁路電容并聯(lián)，以提高瞬態(tài)響應。

4.1.5 選擇輸入電容

輸入電容用于減少輸入電壓紋波，根據公式 (C{Cin(RMS)}=frac{V{IN(min )}^{2} D{WC}}{L f{s} V_{OUT } 2 sqrt{3}}) 計算電容值。

4.1.6 選擇反饋電阻

反饋電阻構成從轉換器輸出到地的電阻分壓器，分壓后的電壓等于 (V{ref})?？上冗x擇下反饋電阻，再根據公式 (R{upper }=R{lower } frac{left(V{out }-V{ref }right)}{V{ref }}) 計算上反饋電阻?？偡答侂娮钁?1 kΩ - 100 kΩ 范圍內。

4.1.7 選擇補償器組件

NCV8871 采用的電流模式控制方法允許使用簡單的 Type II 補償來優(yōu)化動態(tài)響應。

4.1.8 選擇 MOSFET

為確保柵極驅動電壓不下降，所選 MOSFET 的總柵極電荷 (Q{g( total )}) 應滿足 (Q{g( total )} leq frac{Idrv}{f_{s}})。同時，計算 MOSFET 的最大 RMS 電流和最大電壓。

4.1.9 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。根據公式 (P{D}=V{f(max )} I_{OUT(max )}) 計算二極管的最大功耗。

4.1.10 確定反饋環(huán)路補償網絡

補償網絡的目的是穩(wěn)定轉換器的動態(tài)響應。通過優(yōu)化補償網絡，可實現對輸入線路和負載瞬變的穩(wěn)定調節(jié)響應。補償器設計涉及在閉環(huán)傳遞函數中放置極點和零點，同時要考慮 OTA 輸出阻抗元件的影響。

4.2 SEPIC 拓撲應用設計

4.2.1 定義操作參數

與升壓設計類似，先確定應用的操作參數，計算理想的最小和最大占空比 (D{min}) 和 (D{max})，并確保 (D{WC}) 不超過 NCV8871 的 (D{max}) 限制。

4.2.2 選擇電流檢測電阻

方法與升壓設計相同，根據 (R{S}=frac{V{CL}}{I_{CL}}) 選擇電阻。

4.2.3 選擇 SEPIC 電感

電感的選擇原則與升壓設計類似，根據公式計算電感值、最大平均電感電流和峰值電感電流。

4.2.4 選擇耦合電容

耦合電容的 RMS 電流較大，需使用低 ESR 陶瓷電容。根據公式 (Delta V{coupling }=frac{I{out } D{WC }}{C{coupling } f_{s}}) 計算電容值。若諧振頻率在閉環(huán)交叉頻率的約 1 個數量級內，可能需要在耦合電容上并聯(lián) RC 阻尼網絡。

4.2.5 選擇輸出電容

輸出電容的作用和計算方法與升壓設計類似，同樣建議使用多個陶瓷旁路電容并聯(lián)。

4.2.6 選擇輸入電容

根據公式 (I{Cin(RMS)}=frac{Delta I{L 1}}{sqrt{12}}) 計算輸入電容的 RMS 電流。

4.2.7 選擇反饋電阻

方法與升壓設計相同，確?？偡答侂娮柙?1 kΩ - 100 kΩ 范圍內。

4.2.8 選擇補償器組件

采用 Type II 補償優(yōu)化動態(tài)響應。

4.2.9 選擇 MOSFET

確保所選 MOSFET 滿足 (Q{g( total )} leq frac{Idrv}{f{s}})，并計算最大 RMS 電流和最大電壓。

4.2.10 選擇二極管

二極管的選擇原則與升壓設計相同，需能承受輸出電壓和最大輸入電壓中的較高值。

五、總結

NCV8871 作為一款功能強大的汽車級非同步升壓控制器，具有豐富的特性和保護功能，適用于多種應用場景。在設計過程中，工程師需要根據具體需求合理選擇各個組件，確保電路的穩(wěn)定性和性能。希望本文能為電子工程師在使用 NCV8871 進行設計時提供有價值的參考。大家在實際應用中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)交流分享。