汽車同步降壓控制器NCV881930：特性、應(yīng)用與設(shè)計要點

在汽車電子領(lǐng)域，電源管理至關(guān)重要。今天我們要深入探討的是安森美（onsemi）的NCV881930低靜態(tài)電流410 kHz汽車同步降壓控制器，這款器件在汽車電子系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用前景。

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一、NCV881930概述

NCV881930是一款固定頻率為410 kHz的低靜態(tài)電流降壓控制器，具備擴(kuò)頻功能，典型工作電壓可達(dá)38 V。它能夠與時鐘或其他NCV881930同步，采用峰值電流模式控制，可在寬輸入電壓和輸出負(fù)載范圍內(nèi)實現(xiàn)快速瞬態(tài)響應(yīng)和精確調(diào)節(jié)。該器件內(nèi)部集成了反饋補(bǔ)償電路，簡化了設(shè)計。其輸入電壓范圍為3.5 V（啟動時為4.5 V）至18 V，在負(fù)載突降條件下，當(dāng)電壓達(dá)到45 V時，穩(wěn)壓器會關(guān)閉。此外，它還采用了高壓偏置穩(wěn)壓器，并可自動切換至外部5 V偏置電源，以提高效率。同時，具備欠壓鎖定（UVLO）、電流限制、短路保護(hù)和熱關(guān)斷等多種保護(hù)功能。

二、特性亮點

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，有效降低了功耗。采用自適應(yīng)非重疊電路，減少了MOSFET的體二極管導(dǎo)通時間，提高了效率，降低了功耗。

2.2 靈活的輸出電壓設(shè)置

可通過板載選擇固定輸出電壓，并具有鎖定功能。用戶可以根據(jù)實際需求，將VSEL引腳接地或通過10 kΩ電阻連接到DBIAS，來設(shè)置輸出電壓為VSEL_LO或VSEL_HI。

2.3 擴(kuò)頻功能

集成擴(kuò)頻功能，可降低開關(guān)穩(wěn)壓器的峰值電磁輻射，減少電磁干擾（EMI）。通過偽隨機(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，將能量均勻分布在更寬的頻帶上，降低了410 kHz基頻處的峰值能量。

2.4 同步功能

SYNCI和SYNCO引腳支持同步操作，可將多個NCV881930同步，也可與外部時鐘同步。在不同的輸入電壓和SYNCI引腳狀態(tài)下，控制器具有不同的工作模式和頻率，以適應(yīng)各種應(yīng)用場景。

2.5 多種保護(hù)功能

具備UVLO、電流限制、短路保護(hù)和熱關(guān)斷等保護(hù)功能，確保器件在異常情況下的安全運(yùn)行。當(dāng)輸入電壓不足時，UVLO電路會抑制開關(guān)并重置軟啟動電路；當(dāng)峰值電感電流達(dá)到電流限制閾值時，會進(jìn)行占空比限制；當(dāng)內(nèi)部溫度超過安全水平時，熱關(guān)斷電路會抑制開關(guān)并重置軟啟動電路。

三、典型應(yīng)用

NCV881930適用于多種汽車電子應(yīng)用，如收音機(jī)和信息娛樂系統(tǒng)、儀表和集群、高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）以及遠(yuǎn)程信息處理系統(tǒng)等。這些應(yīng)用對電源的穩(wěn)定性和效率要求較高，NCV881930能夠滿足這些需求。

四、引腳功能與參數(shù)

4.1 引腳功能

NCV881930采用QFN24封裝，各引腳具有不同的功能。例如，V_CS為內(nèi)部電流檢測放大器的電源輸入；CSP和CSN為差分電流檢測放大器的輸入；VOUT為開關(guān)模式電源（SMPS）的電壓反饋；EN為邏輯電平使能輸入；ROSC用于設(shè)置開關(guān)頻率；SSC用于設(shè)置軟啟動時間等。

4.2 參數(shù)指標(biāo)

• 最大額定值：不同引腳的電壓范圍有所不同，如EN、VIN、V_CS的直流電源電壓范圍為 -0.3至45 V；VSW引腳在t ≤ 50 ns時的電壓范圍為 -0.3至40 -2 V等。
• 電氣特性：包括靜態(tài)電流、輸出電壓、振蕩器頻率、同步特性等參數(shù)。例如，在VIN = 13 V、EN = 5 V、無開關(guān)且TJ = 25°C時，靜態(tài)電流IQ,OFF典型值為40 A；開關(guān)頻率在4.5V < VIN < VOVSR且RoSC = open時，典型值為410 kHz。

五、詳細(xì)操作說明

5.1 輸入電壓管理

UVLO電路會監(jiān)測輸入電壓，當(dāng)電壓不足時，會抑制開關(guān)并重置軟啟動電路。同時，過壓監(jiān)測電路會在輸入電壓超過37 V（最小值）時自動終止開關(guān)并禁用輸出，但NCV881930能夠承受高達(dá)45 V的輸入電壓。

5.2 輸出電壓設(shè)置

輸出電壓可通過VSEL引腳進(jìn)行編程。在使能IC之前，必須選擇輸出電壓設(shè)置選項，該選項會在軟啟動開始前鎖定，當(dāng)EN引腳切換或發(fā)生UVLO事件時，電壓設(shè)置選項鎖存會重置。

5.3 軟啟動功能

NCV881930具有外部可調(diào)的軟啟動功能，通過內(nèi)部10 A電流源對連接到SSC引腳的外部軟啟動電容充電，以減少浪涌電流和輸出電壓過沖。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。當(dāng)SSC電壓超過1.075 V時，SYNCI功能啟用。

5.4 峰值電流模式控制

采用峰值電流模式控制方案，PWM斜坡信號來自功率開關(guān)電流，與誤差放大器的輸出進(jìn)行比較，以控制功率開關(guān)的導(dǎo)通時間。內(nèi)部產(chǎn)生固定斜率補(bǔ)償信號，以避免在占空比超過50%時因電感紋波電流分叉而導(dǎo)致輸出電壓紋波增加。

5.5 電流檢測

V_CS為內(nèi)部電流檢測放大器的電源輸入，使用時需連接一個0.1 F的去耦電容。CSP和CSN為差分電流檢測放大器的輸入，需要采用開爾文連接到電流檢測電阻，以減少噪聲干擾。同時，為了提高噪聲免疫力，可采用一些降噪措施，如使用并聯(lián)檢測電阻、避免走線靠近開關(guān)節(jié)點或高噪聲走線等。

5.6 短路保護(hù)

當(dāng)峰值電感電流達(dá)到電流限制閾值時，會進(jìn)行占空比限制，輸出電壓相應(yīng)折回。在嚴(yán)重短路情況下，若電感電流在下次GH激活周期開始時超過峰值電流限制閾值，會發(fā)生GH脈沖跳過，而GL脈沖將繼續(xù)工作。

5.7 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)過短的噪聲濾波延遲后，RSTB引腳會被拉低?？赏ㄟ^連接上拉電阻來產(chǎn)生邏輯高信號，并設(shè)置延遲時間，該引腳也可根據(jù)需要不連接。

5.8 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。低電平信號會使控制器進(jìn)入關(guān)機(jī)模式，關(guān)閉穩(wěn)壓器并將電源電流降至小于6 A。IC內(nèi)部有濾波功能，可防止EN引腳上的噪聲引起誤操作。

5.9 占空比和最大脈沖寬度限制

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

5.10 反饋電壓誤差放大器

采用運(yùn)算跨導(dǎo)放大器（OTA）來處理反饋電壓信息，OTA輸出可吸收或提供高達(dá)3 A的電流。在正常工作時，誤差放大器的最小電壓在1.0 V至2.2 V之間；在輕負(fù)載時，邏輯會進(jìn)入脈沖跳過模式。

5.11 自舉功能

啟動時，在SSC引腳允許上升之前，自舉電容會通過一系列八個250 ns的GL脈沖（周期為2 s）進(jìn)行充電。

5.12 驅(qū)動器

NCV881930具有柵極驅(qū)動器，可驅(qū)動外部N溝道MOSFET。采用自適應(yīng)非重疊電路，可提高效率，防止MOSFET的交叉導(dǎo)通。GL驅(qū)動器在VSW小于0.4 V時啟用，GH驅(qū)動器在GL電壓小于2 V時啟用。

5.13 SYNC功能

V_SO為SYNCO輸出驅(qū)動器的電源電壓，使用時需連接一個最小5 V電壓額定值的陶瓷去耦電容。SYNCO脈沖可用于同步其他NCV881930 IC，SYNCI引腳可接受外部時鐘信號。在軟啟動事件后，當(dāng)SSC電壓 > 1.075 V時，SYNCO變?yōu)橛行А?/p>

5.14 二極管仿真模式

當(dāng)SYNCI引腳開路或接地時，二極管仿真模式激活。電流檢測模塊中的比較器會檢測CSP - CSN電壓從正電壓到0 V的轉(zhuǎn)換，當(dāng)檢測到0 A時，底部GL信號會關(guān)閉低側(cè)MOSFET，以防止負(fù)電感電流。

5.15 脈沖跳過模式

在接近不連續(xù)導(dǎo)通模式操作時，采用脈沖跳過模式來提高低電流工作效率。當(dāng)內(nèi)部電壓反饋OTA補(bǔ)償輸出電壓（VCOMP）達(dá)到預(yù)定的較低電壓閾值時，IC控制邏輯進(jìn)入脈沖跳過模式，以維持調(diào)節(jié)。

5.16 反饋回路測量

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)。在二極管仿真模式下，當(dāng)脈沖跳過時，OTA反饋回路禁用，采用滯回型模式控制。

5.17 電流限制和過流保護(hù)

電流限制激活的傳播延遲通常約為39 ns，盡管由于該延遲會導(dǎo)致峰值電感電流略有增加，但電壓調(diào)節(jié)仍會繼續(xù)。如果峰值電感電流在傳播延遲后出現(xiàn)，占空比將減小。

5.18 振蕩器

ROSC電阻接地連接不應(yīng)共享功率路徑，建議采用開爾文連接到IC - GND。ROSC電阻值可用于設(shè)置開關(guān)頻率，可根據(jù)公式計算所需的電阻值。

5.19 擴(kuò)頻功能

通過偽隨機(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，降低了410 kHz基頻處的峰值能量，減少了電磁輻射。

5.20 熱關(guān)斷

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

5.21 效率

在高側(cè)和低側(cè)晶體管都關(guān)斷的短暫時間內(nèi)，續(xù)流電流會通過低側(cè)晶體管的本征體二極管流動?？稍诘蛡?cè)晶體管上并聯(lián)一個肖特基二極管，以提高效率。

5.22 暴露焊盤

EPAD必須與PCB上的模擬和功率電氣接地GND和PGND引腳電氣連接，以確保正常、無噪聲的操作。

六、應(yīng)用設(shè)計方法

6.1 操作參數(shù)定義

在進(jìn)行設(shè)計之前，需要定義一些操作參數(shù)，如輸入電壓VIN、輸出電壓VOUT、輸出電流IOUT和期望的典型電流限制ICL等。并根據(jù)這些參數(shù)計算最小占空比DMIN、典型占空比D和最大占空比DMAX。

6.2 開關(guān)頻率選擇

選擇開關(guān)頻率需要在組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。可通過ROSC引腳連接的電阻來編程開關(guān)頻率，同時要考慮最小關(guān)斷時間和最小導(dǎo)通時間對最大允許開關(guān)頻率的限制。

6.3 輸出電感選擇

選擇輸出電感需要考慮機(jī)械和電氣因素。較小的電感值通常對應(yīng)較小的物理尺寸，但較大的電感值會限制開關(guān)在負(fù)載瞬變時的電流變化能力。通常選擇電感的紋波電流為輸出額定電流的20 - 40%，并根據(jù)公式計算電感值。同時，要選擇飽和電流足夠高于峰值輸出電流的電感，以確保電感在峰值輸出電流時接近標(biāo)稱值。

6.4 電流檢測電阻選擇

電流檢測電阻用于將電感電流轉(zhuǎn)換為電壓，通過電流檢測放大器進(jìn)行測量。可根據(jù)公式計算電流檢測電阻的值，同時要考慮電感變化和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)所需的額外電流。

6.5 輸出電容選擇

建議使用鋁聚合物/混合大容量電容器與陶瓷電容器結(jié)合，以降低 -40°C/25°C ESR比。輸出電容在負(fù)載階躍時提供增量負(fù)載電流，可根據(jù)最大允許的輸出電壓過沖和電感啟動過沖電流來選擇最小和最大電容值。同時，要選擇具有低等效串聯(lián)電阻（ESR）和等效串聯(lián)電感（ESL）的電容，以確保良好的瞬態(tài)響應(yīng)和低輸出電壓紋波。

6.6 輸入電容選擇

輸入EMI電容器必須能夠承受高側(cè)MOSFET導(dǎo)通期間產(chǎn)生的紋波電流，并具有低ESR以減少損耗。可根據(jù)公式計算輸入電容的RMS紋波電流和功率損耗。通常使用陶瓷電容器與大容量電解/聚合物輸入電容器并聯(lián)，以減少開關(guān)電壓紋波。

6.7 熱考慮

由于該控制器可能用于電流超過10 A的應(yīng)用，因此需要考慮熱管理。建議使用2 oz（70微米）銅用于高電流處理層，采用4層或更多層的電路板，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，使用大量的熱過孔。

七、總結(jié)

NCV881930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、擴(kuò)頻功能、多種保護(hù)功能等特點，適用于多種汽車電子應(yīng)用。在設(shè)計過程中，需要根據(jù)具體應(yīng)用需求，合理選擇外部組件，如電感、電容、電流檢測電阻等，并考慮熱管理等因素，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。希望本文對電子工程師在使用NCV881930進(jìn)行設(shè)計時有所幫助。大家在實際應(yīng)用中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。