汽車(chē)級(jí)降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器 NCV890200 的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

在汽車(chē)電子系統(tǒng)中，電源管理是至關(guān)重要的一環(huán)。今天我們要介紹的是安森美（onsemi）推出的一款適用于汽車(chē)應(yīng)用的降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器——NCV890200。它具備諸多優(yōu)秀特性，能滿足汽車(chē)電池連接應(yīng)用的多種需求。

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產(chǎn)品概述

NCV890200 是一款固定頻率、單片式降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，專(zhuān)為汽車(chē)電池連接應(yīng)用而設(shè)計(jì)，可在高達(dá) 36V 的輸入電源下工作。它非常適合對(duì)噪聲要求低、外形尺寸小的系統(tǒng)，常見(jiàn)于汽車(chē)駕駛員信息系統(tǒng)中。該穩(wěn)壓器能夠?qū)⒌湫偷?4.5V 至 18V 汽車(chē)輸入電壓范圍轉(zhuǎn)換為低至 3.3V 的輸出電壓，且開(kāi)關(guān)頻率恒定在敏感 AM 頻段以上，無(wú)需昂貴的濾波器和 EMI 對(duì)策。此外，它還提供了電流限制、短路保護(hù)和熱關(guān)斷等多種保護(hù)功能，即使使用小電感值和全陶瓷輸出濾波電容，高開(kāi)關(guān)頻率也能產(chǎn)生低輸出電壓紋波，形成高效的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器解決方案。

產(chǎn)品特性

電氣性能

• 寬輸入電壓范圍：支持 4.5V 至 36V 的輸入電壓，能承受高達(dá) 40V 的負(fù)載突降，適應(yīng)汽車(chē)復(fù)雜的電源環(huán)境。
• 高開(kāi)關(guān)頻率：2MHz 的自由運(yùn)行開(kāi)關(guān)頻率，有助于減少外部元件尺寸，降低成本。
• 低靜態(tài)電流：在關(guān)斷模式下，靜態(tài)電流極低，可有效降低功耗。
• 精確的輸出電壓調(diào)節(jié)：輸出電壓可調(diào)至 0.8V，輸出電壓容差為 ±1.75%，能提供穩(wěn)定的電源輸出。

保護(hù)功能

• 電流限制：具備 2.2A（最小值）的逐周期峰值電流限制，可防止過(guò)流損壞。
• 短路保護(hù)：通過(guò)頻率折返增強(qiáng)短路保護(hù)功能，確保在短路情況下安全可靠。
• 熱關(guān)斷：當(dāng)內(nèi)部溫度超過(guò)安全水平時(shí)，熱關(guān)斷電路會(huì)自動(dòng)抑制開(kāi)關(guān)操作，保護(hù)器件。

其他特性

• 邏輯電平使能輸入：可直接連接電池作為使能信號(hào)，方便控制。
• 內(nèi)部軟啟動(dòng)：1.4 毫秒的內(nèi)部軟啟動(dòng)功能，可減少啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊。
• 符合汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)：具有 NCV 前綴，適用于汽車(chē)及其他有獨(dú)特場(chǎng)地和控制變更要求的應(yīng)用，符合 AEC - Q100 標(biāo)準(zhǔn)，具備 PPAP 能力，且為無(wú)鉛產(chǎn)品，符合 RoHS 標(biāo)準(zhǔn)。

引腳功能

工作原理與特性曲線

輸入電壓管理

欠壓鎖定（UVLO）電路會(huì)監(jiān)測(cè)輸入電壓，當(dāng)電壓不足時(shí)，會(huì)抑制開(kāi)關(guān)操作并重置軟啟動(dòng)電路。NCV890200 可在輸入電壓高于 4.5V 時(shí)調(diào)節(jié) 3.3V 輸出，高于 6.5V 時(shí)調(diào)節(jié) 5.0V 輸出，且能承受高達(dá) 40V 的輸入電壓。當(dāng)輸入電壓超過(guò) (V{IN}) 頻率折返閾值 (V{FLDUP}) 時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率會(huì)降低一半，以減少功率損耗；當(dāng)輸入電壓降至 (V_{FLDUP}) 以下時(shí)，頻率降低自動(dòng)終止。

使能控制

NCV890200 可接受邏輯電平信號(hào)或電池電壓作為使能信號(hào)。當(dāng) EN 引腳為低電平時(shí)，進(jìn)入“睡眠模式”，關(guān)閉穩(wěn)壓器并將電源電流降至最低；使能時(shí)，DRV 引腳建立電壓，隨后開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器輸出進(jìn)行軟啟動(dòng)。

軟啟動(dòng)

使能或從故障狀態(tài)恢復(fù)后，且 DRV 電壓建立后，軟啟動(dòng)電路會(huì)將開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器誤差放大器參考電壓斜坡上升至最終值。在軟啟動(dòng)期間，平均開(kāi)關(guān)頻率低于正常模式值（通常為 2MHz），直到輸出電壓接近調(diào)節(jié)值。

斜率補(bǔ)償

內(nèi)部生成固定斜率補(bǔ)償信號(hào)并添加到感測(cè)電流中，以避免在占空比超過(guò) 50% 時(shí)因電感紋波電流分叉而導(dǎo)致輸出電壓紋波增加。為避免次諧波振蕩，電感需大于最小值，對(duì)于 3.3V 和 5V 輸出電壓，推薦電感值為 4.7μH。

短路頻率折返

在嚴(yán)重輸出過(guò)載或短路時(shí)，NCV890200 會(huì)自動(dòng)降低開(kāi)關(guān)頻率，以限制功率組件中的峰值電流，同時(shí)在過(guò)載消除時(shí)能自動(dòng)恢復(fù)輸出電壓。若開(kāi)關(guān)頻率折返至 500kHz 后電流仍過(guò)高，穩(wěn)壓器將進(jìn)入自動(dòng)恢復(fù)突發(fā)模式，進(jìn)一步降低功耗。

電流限制

由于電感電流存在紋波，降壓轉(zhuǎn)換器的平均輸出電流低于穩(wěn)壓器的峰值電流設(shè)定點(diǎn)。對(duì)于 4.7μH 電感，輸入電壓變化會(huì)影響 NCV890200 能提供給負(fù)載的最大直流電流。

自舉電路

DRV 引腳的內(nèi)部穩(wěn)壓器為外部電容（CDRV）提供接地參考電壓，以便快速為用于為功率開(kāi)關(guān)柵極驅(qū)動(dòng)器供電的外部自舉電容（CBST）充電。若 DRV 引腳電壓低于 DRV UVLO 閾值 (V{DRVSTP})，開(kāi)關(guān)操作將被抑制，軟啟動(dòng)電路將被重置，直到 DRV 引腳電壓回升至 (V{DRVSTT}) 以上。在輕負(fù)載條件下，NCV890200 會(huì)跳過(guò)開(kāi)關(guān)周期以確保輸出電壓穩(wěn)定，但當(dāng)跳過(guò)周期重復(fù)頻率過(guò)低時(shí)，自舉電壓會(huì)崩潰，穩(wěn)壓器停止開(kāi)關(guān)操作，因此需要最小負(fù)載才能正常工作。

輸出預(yù)充電檢測(cè)

在軟啟動(dòng)之前，會(huì)監(jiān)測(cè) FB 引腳，確保 SW 電壓足夠低，以便為外部自舉電容（CBST）充電。若 FB 引腳電壓高于 (V_{SSEN})，重啟將延遲，直到輸出放電。

熱關(guān)斷

當(dāng)內(nèi)部溫度超過(guò)安全水平時(shí)，熱關(guān)斷電路會(huì)抑制開(kāi)關(guān)操作，重置軟啟動(dòng)電路并移除 DRV 電壓；當(dāng)溫度恢復(fù)到安全水平時(shí)，開(kāi)關(guān)操作自動(dòng)恢復(fù)。

最小壓降電壓

在低輸入電壓下，最小關(guān)斷時(shí)間（決定最大占空比）和導(dǎo)通電阻對(duì)穩(wěn)壓器的最小電壓降起主要作用。在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）下，輸出電壓等于輸入電壓乘以占空比。由于 NCV890200 需要足夠的自舉電壓才能工作，其占空比不能為 100%，需要最小關(guān)斷時(shí)間來(lái)定期為自舉電容 (C{BST}) 充電，從而限制了最大占空比。此外，導(dǎo)通電阻引起的壓降為 (V{SWdrop}=I{OUT} cdot R{DSon})，因此在低輸入電壓條件下，最大輸出電壓為 (V{OUT}=D{MAX} cdot V{IN(min)}-V{SWdrop})。

典型特性曲線

文檔中給出了多個(gè)典型特性曲線，包括關(guān)斷靜態(tài)電流與結(jié)溫、使能靜態(tài)電流與結(jié)溫、UVLO 啟動(dòng)閾值與結(jié)溫、軟啟動(dòng)持續(xù)時(shí)間與結(jié)溫等關(guān)系曲線，這些曲線有助于工程師了解器件在不同溫度下的性能表現(xiàn)。

設(shè)計(jì)方法

輸出電容設(shè)計(jì)

最小輸出電容值可根據(jù)輸出電壓紋波規(guī)范計(jì)算： [C{OUT min }=frac{Delta I{L}}{8 cdot Delta V{OUT } cdot F{SW}}] 其中，(Delta I{L}) 為電感紋波電流，可通過(guò)以下公式計(jì)算： [Delta I{L}=frac{V{OUT } cdotleft(1-frac{V{OUT }}{V{IN }}right)}{L cdot F{SW}}] 同時(shí)，輸出電容的 ESR 不能超過(guò) (R{ESRmax})： [R{ESR max }=frac{Delta V{OUT } cdot L cdot F{SW }}{V{OUT }left(1-frac{V{OUT }}{V{IN }}right)}] 此外，輸出電容必須能夠承受交流電流（或 RMS 紋波電流）： [I{OUTac }=frac{Delta I_{L}}{2 sqrt{3}}] 通常，使用兩個(gè) 10μF 的陶瓷電容并聯(lián)，搭配推薦的 4.7μH 電感，可獲得良好的效果。

續(xù)流二極管設(shè)計(jì)

二極管的選擇需考慮其最大電流和電壓額定值以及熱因素。二極管承受的最大反向電壓為最大輸入電壓（考慮開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的振鈴情況需留一定余量），最大正向電流為 NCV890200 的峰值電流限制 (I{LIM})。二極管的功耗為： [P{Dloss }=I{OUT } cdotleft(1-frac{V{OUT }}{V{IN }}right) cdot V{F}+I{DRMS } cdot R{D}] 其中，(I{DRMS}) 為二極管中的 RMS 電流，可通過(guò)以下公式計(jì)算： [I{DRMS }=sqrt{(1-D)left(I{OUT }^{2}+frac{Delta I{L}^{2}}{12}right)}] (R_{D}) 為二極管的動(dòng)態(tài)電阻（從二極管數(shù)據(jù)手冊(cè)的 V/I 曲線中提取）。根據(jù)封裝的熱阻和 PCB 上的散熱情況，可估算出對(duì)應(yīng)功耗下的溫度上升。

輸入電容設(shè)計(jì)

輸入電容必須能夠承受 RMS 輸入紋波電流 (I{INac})： [I{INac }=frac{Delta I_{L}}{2} sqrt{frac{D}{3}}] 可將輸入電容與電感結(jié)合設(shè)計(jì)輸入濾波器，以濾除電源中的紋波電流，降低 EMI 傳導(dǎo)發(fā)射。例如，使用 4.7μF 輸入電容和 200nH 電感，可確保輸入濾波器的截止頻率低于 200kHz，有效衰減 2MHz 紋波。

誤差放大器和環(huán)路傳遞函數(shù)

誤差放大器是跨導(dǎo)型放大器，其輸出電壓控制功率開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)的峰值電感電流。采用電流模式控制方法，可使用簡(jiǎn)單的 II 型補(bǔ)償來(lái)根據(jù)系統(tǒng)要求優(yōu)化動(dòng)態(tài)響應(yīng)。從 (V{OUT}) 到 (V{COMP}) 的傳遞函數(shù)是反饋電壓分壓器和誤差放大器的乘積，功率級(jí)傳遞函數(shù)從 (V_{COMP}) 到輸出，總環(huán)路傳遞函數(shù)是功率級(jí)和反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的乘積。通過(guò) Bode 圖可顯示系統(tǒng)的增益和相位裕度，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)旨在確保系統(tǒng)具有足夠的相位裕度和帶寬。

補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的作用是在交叉頻率處提供足夠的相位裕度以穩(wěn)定系統(tǒng)，并在低頻處提供高增益以消除輸出電壓的穩(wěn)態(tài)誤差。下面通過(guò)一個(gè)示例介紹設(shè)計(jì)步驟： 假設(shè) (V{in}=15.5V)，(V{out}=3.3V)，(R{load}=1.65Omega)，(I{out}=2A)，(L = 4.7μH)，(C{out}=20μF)（(R{esr}=7mOmega)），反饋信號(hào)的參考電壓為 0.8V，選擇 (R{FB1}=100Omega)，(R{FB2}=31.6Omega)。 首先，根據(jù)規(guī)格繪制功率級(jí)傳遞函數(shù)的 Bode 圖，選擇交叉頻率 (F{c}=70kHz)，計(jì)算該頻率下功率級(jí)的增益為 -4dB（0.634），則反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的增益必須為 4dB。然后確定補(bǔ)償器的一個(gè)零點(diǎn)和一個(gè)極點(diǎn)的位置，零點(diǎn)用于在交叉頻率處提供相位提升，極點(diǎn)用于抑制高頻噪聲。在本例中，零點(diǎn)置于交叉頻率的 1/10 處，極點(diǎn)置于開(kāi)關(guān)頻率（(F{sw}=2MHz)）的 1/5 處，即 (F{z}=7000Hz)，(F{p}=400000Hz)。 通過(guò)以下公式計(jì)算 (R{COMP})、(C{COMP}) 和 (C{p})： [RCOMP =frac{F p cdot g m}{(F p-F z) cdot|G p s(F c)|} cdot frac{ Vout }{V r e f} cdot frac{sqrt{1+left(frac{F c}{F p}right)^{2}}}{sqrt{1+left(frac{F z}{F c}right)^{2}}}] [CCOMP =frac{1}{2 pi cdot Fz cdot RCOMP }] [Cp=frac{1}{2 pi cdot Fp cdot RCOMP}] 計(jì)算得到 (R{COMP}=6.6KOmega)，(C{COMP}=3.4nF)，(C{p}=48pF)。需要注意的是，IC 內(nèi)部集成了一個(gè) 18pF 的電容，若需要使用更大的電容，需從計(jì)算得到的 (C_{p}) 中減去該值。

PCB 布局建議

對(duì)于 NCV890200 這樣的高開(kāi)關(guān)頻率電源芯片，PCB 布局至關(guān)重要。以下是一些布局建議：

• 最小化功率電流環(huán)路面積：包括輸入電容、NCV890200 開(kāi)關(guān)、電感、輸出電容通過(guò)接地返回的環(huán)路，以及續(xù)流二極管、電感、輸出電容通過(guò)接地返回的環(huán)路。
• 最小化高阻抗信號(hào)長(zhǎng)度：將反饋跡線和補(bǔ)償跡線等遠(yuǎn)離功率環(huán)路，以減少干擾。

總結(jié)

NCV890200 是一款性能出色的汽車(chē)級(jí)降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，具有寬輸入電壓范圍、高開(kāi)關(guān)頻率、多種保護(hù)功能等優(yōu)點(diǎn)。在設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)，需要根據(jù)具體需求合理選擇外部元件，如輸出電容、續(xù)流二極管和輸入電容等，并精心設(shè)計(jì)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和 PCB 布局，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。希望本文能為電子工程師在使用 NCV890200 進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)提供有益的參考。你在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過(guò)類(lèi)似電源芯片的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和問(wèn)題。