汽車級(jí)非同步升壓控制器NCV8873：特性、原理與應(yīng)用設(shè)計(jì)

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，升壓控制器是實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵組件。今天我們要探討的是安森美（onsemi）推出的汽車級(jí)非同步升壓控制器NCV8873，它在諸多方面展現(xiàn)出卓越的性能與特性。

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一、產(chǎn)品概述

NCV8873是一款可調(diào)節(jié)輸出的非同步升壓控制器，能驅(qū)動(dòng)外部N溝道MOSFET。它采用具有內(nèi)部斜率補(bǔ)償?shù)姆逯?a href="http://m.sdkjxy.cn/tags/電流/" target="_blank">電流模式控制，內(nèi)部調(diào)節(jié)器為柵極驅(qū)動(dòng)器供電。該器件具備多種保護(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，還擁有低靜態(tài)電流睡眠模式和外部可同步的開(kāi)關(guān)頻率等附加特性。

（一）特性亮點(diǎn)

1. 控制模式：采用峰值電流模式控制并帶有內(nèi)部斜率補(bǔ)償，能快速響應(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，還具備逐周期電流限制功能，且反饋回路簡(jiǎn)單，便于補(bǔ)償。
2. 電壓參考與頻率：擁有0.2V ±3%的參考電壓，適用于恒流負(fù)載；固定頻率運(yùn)行，開(kāi)關(guān)頻率為400kHz。
3. 電壓范圍與保護(hù)：輸入電壓范圍寬，為3.2V至40V，能承受45V的負(fù)載突降；具備輸入欠壓鎖定（UVLO）、內(nèi)部軟啟動(dòng)、逐周期電流限制保護(hù)和熱關(guān)斷（TSD）等功能，保障設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。
4. 低功耗與環(huán)保：睡眠模式下靜態(tài)電流低，且為無(wú)鉛器件，符合環(huán)保要求。
5. 汽車級(jí)應(yīng)用：帶有NCV前綴，適用于汽車及其他有特殊場(chǎng)地和控制變更要求的應(yīng)用，通過(guò)AEC - Q100認(rèn)證且具備PPAP能力。

（二）引腳與封裝

NCV8873采用SOIC - 8封裝，不同引腳具有特定功能。例如，2腳ISNS用于連接接地電阻以感測(cè)開(kāi)關(guān)電流進(jìn)行調(diào)節(jié)；4腳GDRV連接到柵極以調(diào)整EMC性能等。

二、電氣特性

（一）靜態(tài)電流

在不同工作模式和溫度條件下，NCV8873的靜態(tài)電流表現(xiàn)不同。睡眠模式下，當(dāng)VIN = 13.2V，EN = 0，TJ = 25°C時(shí)，靜態(tài)電流為2.0μA；在?40°C < TJ < 125°C時(shí)，靜態(tài)電流范圍為2.0 - 6.0μA。無(wú)開(kāi)關(guān)操作時(shí)，流入VIN引腳的靜態(tài)電流為1.5 - 2.5mA；正常開(kāi)關(guān)操作時(shí)，為4.0 - 6.0mA。

（二）振蕩器參數(shù)

開(kāi)關(guān)頻率在YY = 02時(shí)為360 - 400kHz；軟啟動(dòng)時(shí)間從開(kāi)關(guān)開(kāi)始且VFB = 0到參考電壓等于VREF為3.3 - 4.7ms。

（三）使能/同步引腳特性

EN/SYNC引腳有三種模式，分別對(duì)應(yīng)不同的工作狀態(tài)。其下拉電流、輸入高低電壓、超時(shí)比率、同步最小頻率比率、最大頻率、同步延遲和同步占空比等都有相應(yīng)的參數(shù)范圍。

（四）其他特性

電流感測(cè)放大器、電壓誤差運(yùn)算跨導(dǎo)放大器、柵極驅(qū)動(dòng)器等部分也都有各自的電氣參數(shù)，如電流感測(cè)放大器的輸入 - 輸出增益、帶寬、輸入偏置電流等；電壓誤差運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的跨導(dǎo)、輸出電阻、參考電壓等；柵極驅(qū)動(dòng)器的源電流、驅(qū)動(dòng)電壓等。

三、工作原理

（一）電流模式控制

NCV8873采用電流模式控制方案，PWM斜坡信號(hào)來(lái)自功率開(kāi)關(guān)電流，與誤差放大器輸出比較來(lái)控制功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間。振蕩器作為固定頻率時(shí)鐘確保恒定工作頻率。相比傳統(tǒng)電壓模式控制，它能立即響應(yīng)線路電壓變化，具備逐周期電流限制功能，且反饋回路簡(jiǎn)單。同時(shí)，它還采用斜率補(bǔ)償方案，在電流斜坡上疊加固定斜坡，提高電路穩(wěn)定性。

（二）電流限制

具備峰值電流模式電流限制保護(hù)，當(dāng)電流感測(cè)放大器檢測(cè)到ISNS和GND之間的電壓超過(guò)峰值電流限制時(shí)，功率開(kāi)關(guān)在該周期剩余時(shí)間內(nèi)關(guān)斷。可通過(guò)連接ISNS到GND的電阻設(shè)置電流限制。若電流感測(cè)電阻兩端電壓超過(guò)過(guò)流閾值電壓，器件進(jìn)入軟啟動(dòng)模式。

（三）EN/SYNC引腳功能

該引腳有三種模式，分別對(duì)應(yīng)不同工作狀態(tài)。在VIN上升過(guò)程中，若EN/SYNC引腳操作不當(dāng)，可能導(dǎo)致內(nèi)部邏輯進(jìn)入無(wú)效狀態(tài)，因此在VIN施加電壓后至少500μs再施加EN/SYNC信號(hào)。若VIN引腳電壓低于UVLO且EN/SYNC引腳為高電平時(shí)，IC可能無(wú)法正常上電，需將EN/SYNC引腳進(jìn)行一次低 - 高電平轉(zhuǎn)換以恢復(fù)正常工作。

（四）欠壓鎖定（UVLO）

輸入欠壓鎖定功能確保VIN過(guò)低時(shí)設(shè)備不會(huì)出現(xiàn)意外行為。當(dāng)VIN超過(guò)UVLO閾值加上滯后電壓時(shí)，IC啟動(dòng)；當(dāng)VIN低于UVLO閾值或器件被禁用時(shí)，IC關(guān)閉。為避免UVLO條件下的鎖定狀態(tài)，EN/SYNC引腳應(yīng)處于低電平狀態(tài)。

四、應(yīng)用設(shè)計(jì)

（一）設(shè)計(jì)方法概述

以不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）升壓轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)高亮度LED串為例，詳細(xì)介紹了組件選擇過(guò)程，包括定義操作參數(shù)、選擇電流感測(cè)電阻、輸出電感、輸出電容、輸入電容、反饋電阻、補(bǔ)償器組件、MOSFET和二極管等步驟。

（二）具體設(shè)計(jì)步驟

1. 定義操作參數(shù)：確定輸入電壓范圍、輸出電壓、LED電流、期望的逐周期電流限制等參數(shù)，并計(jì)算理想的最小和最大占空比。需注意輸入電壓高于輸出電壓時(shí)的情況，以及占空比計(jì)算結(jié)果對(duì)轉(zhuǎn)換器工作的影響。
2. 選擇電流感測(cè)電阻：根據(jù)公式RSNS = VCL / ICL選擇合適的電阻，其中VCL為電流限制閾值電壓，ICL為期望的電流限制。
3. 選擇升壓電感：電感控制開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的電流紋波，需計(jì)算最大電感值、最大平均電感電流和峰值電感電流。選擇組件時(shí)可先考慮在最小輸入電壓下實(shí)現(xiàn)DCM操作，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
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(guò)沖和下沖。需計(jì)算穩(wěn)態(tài)輸出紋波和電容承受的RMS紋波電流。對(duì)于高亮度LED應(yīng)用，在fs = 1MHz時(shí)，2.2μF陶瓷電容通常足夠。
5. 選擇輸入電容：輸入電容用于減少模塊輸入電壓紋波，可根據(jù)公式計(jì)算其RMS電流。
6. 選擇反饋電阻：反饋電阻用于感測(cè)LED電流，可根據(jù)公式RF1 = Vref / ILED計(jì)算。
7. 選擇補(bǔ)償器組件：NCV8873采用的電流模式控制方法允許使用簡(jiǎn)單的II型補(bǔ)償，補(bǔ)償組件需連接在補(bǔ)償引腳和地之間。
8. 選擇MOSFET：為確保柵極驅(qū)動(dòng)電壓不下降，所選MOSFET的總柵極電荷應(yīng)滿足Qg(total) ≤ Idrv / fs，同時(shí)需計(jì)算最大RMS電流和最大電壓。
9. 選擇二極管：輸出二極管用于整流輸出電流，需考慮其平均電流、阻斷電壓和最大功耗。

（三）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?？蓪⑿枰龎旱碾妷哼B接到電感，穩(wěn)定電壓連接到設(shè)備的VIN引腳。在升壓配置中，轉(zhuǎn)換器輸出可用于為設(shè)備供電，必要時(shí)可通過(guò)二極管將兩個(gè)電源連接到VIN引腳。

五、總結(jié)

NCV8873作為一款汽車級(jí)非同步升壓控制器，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)，在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。電子工程師在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)具體需求合理選擇組件，充分發(fā)揮NCV8873的性能優(yōu)勢(shì)。大家在使用NCV8873進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，有沒(méi)有遇到過(guò)什么特別的問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。