汽車降壓開關穩(wěn)壓器 NCV890100：設計指南與性能解析

在汽車電子領域，電源管理是一個至關重要的環(huán)節(jié)。今天要給大家介紹的是安森美（onsemi）的一款 1.2A、2MHz 汽車降壓開關穩(wěn)壓器——NCV890100。這款穩(wěn)壓器專為汽車應用設計，能夠在高達 36V 的輸入電源下穩(wěn)定工作，非常適合對低噪聲和小尺寸有要求的汽車駕駛員信息系統(tǒng)。

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產(chǎn)品概述

NCV890100 是一款固定頻率、單片降壓開關穩(wěn)壓器，其輸入電壓范圍為 4.5V 至 18V，能夠?qū)⒃撾妷恨D換為低至 3.3V 的輸出電壓，且開關頻率恒定在敏感 AM 頻段之上，這就避免了使用昂貴的濾波器和 EMI 對策。同時，它還具備多種保護功能，如電流限制、短路保護和熱關斷等。高開關頻率使得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，形成了一種節(jié)省空間的開關穩(wěn)壓器解決方案。

產(chǎn)品特性

內(nèi)部特性

• 內(nèi)部 N 溝道功率開關：集成了 N 溝道功率開關，簡化了電路設計。
• 寬輸入電壓范圍：能夠在 4.5V 至 36V 的輸入電壓下正常工作，并且能承受高達 40V 的負載突降。
• 高開關頻率：2MHz 的自由運行開關頻率，有助于減少輸出電壓紋波。
• 邏輯電平使能輸入：可以直接連接到電池，方便控制。
• 過流保護：1.4A（最小值）逐周期峰值電流限制，以及通過頻率折返增強的短路保護。
• 輸出電壓精度：±1.75% 的輸出電壓容差，輸出電壓可調(diào)節(jié)至低至 0.8V。
• 軟啟動功能：1.4 毫秒的內(nèi)部軟啟動，減少啟動時的電流沖擊。
• 熱保護：具備熱關斷（TSD）功能，當溫度過高時自動關斷，保護器件安全。
• 低關斷電流：在關斷狀態(tài)下，電流消耗極低。

封裝與認證

• 可焊側翼 DFN 封裝：采用可焊側翼 DFN 封裝，便于焊接和散熱。
• 汽車級認證：具有 NCV 前綴，適用于汽車和其他需要獨特場地和控制變更要求的應用，符合 AEC - Q100 標準，具備 PPAP 能力。
• 環(huán)保特性：這些器件無鉛且符合 RoHS 標準。

應用領域

NCV890100 的應用范圍廣泛，涵蓋了汽車音頻、信息娛樂系統(tǒng)、安全視覺系統(tǒng)以及儀器儀表等領域。

電氣特性

最大額定值

電氣參數(shù)

在 (V{IN}=4.5V) 至 28V，(V{EN}=5V)，(V{BST}=V{SW}+3.0V)，(C_{DRV}=0.1mu F) 的條件下，且在 -40°C 至 150°C 的溫度范圍內(nèi)，部分電氣參數(shù)如下：

• 靜態(tài)電流：關斷時的靜態(tài)電流 (I_{qSD}) 較小。
• 欠壓鎖定（UVLO）：具有啟動和停止閾值，以及遲滯電壓 (V_{UVLOHY})。
• 電壓基準：反饋引腳偏置電流較小，誤差放大器輸出有一定的電流限制和最小電壓要求。
• 振蕩器：頻率為 2MHz，斜坡斜率有一定的范圍。

工作原理與特性曲線

輸入電壓處理

NCV890100 內(nèi)置欠壓鎖定（UVLO）電路，當輸入電壓不足時，會抑制開關動作并重置軟啟動電路。它能夠在輸入電壓高于 4.5V 時調(diào)節(jié) 3.3V 輸出，高于 6.5V 時調(diào)節(jié) 5.0V 輸出，并且能承受高達 40V 的輸入電壓。當輸入電壓超過 (V{IN}) 頻率折返閾值 (V{FLDUP}) 時，開關頻率會降低一半，以減少功率損耗；當輸入電壓下降到 (V{IN}) 頻率折返閾值 (V{FLDDN}) 以下時，頻率恢復正常。

使能控制

該穩(wěn)壓器可以接受邏輯電平信號或電池電壓作為使能信號。當使能引腳（EN）為低電平時，進入“睡眠模式”，關閉穩(wěn)壓器并將電源電流降至幾微安；使能后，DRV 引腳建立電壓，隨后開關穩(wěn)壓器輸出進行軟啟動。

軟啟動

使能或從故障狀態(tài)恢復后，在 DRV 電壓建立之后，軟啟動電路會將開關穩(wěn)壓器誤差放大器參考電壓逐漸升至最終值。在軟啟動期間，平均開關頻率低于正常模式值（通常為 2MHz），直到輸出電壓接近穩(wěn)定。

斜率補償

內(nèi)部會生成固定斜率補償信號，并添加到感測電流中，以避免在占空比超過 50% 時，由于電感紋波電流分叉而導致輸出電壓紋波增加。為避免次諧波振蕩，電感值需要大于最小值，對于 3.3V 和 5V 輸出電壓，推薦使用 4.7μH 的電感。

短路頻率折返

在嚴重輸出過載或短路情況下，NCV890100 會自動降低開關頻率，以限制功率組件中的峰值電流。如果開關頻率折返到 500kHz 后電流仍然過高，穩(wěn)壓器將進入自動恢復突發(fā)模式，進一步降低功耗。

電流限制

由于電感電流存在紋波，降壓轉換器的平均輸出電流低于穩(wěn)壓器的峰值電流設定點。對于 4.7μH 的電感，輸入電壓的變化會影響 NCV890100 能夠提供給負載的最大直流電流。

自舉電路

DRV 引腳的內(nèi)部穩(wěn)壓器為外部電容 (C{DRV}) 提供接地參考電壓，以便快速為用于為功率開關柵極驅(qū)動器供電的外部自舉電容 (C{BST}) 充電。如果 DRV 引腳電壓低于 DRV UVLO 閾值 (V{DRVSTP})，開關動作將被抑制，軟啟動電路將被重置，直到 DRV 引腳電壓回升到 (V{DRVSTT}) 以上。在輕負載條件下，NCV890100 會跳過開關周期以確保輸出電壓穩(wěn)定，但當跳過周期重復頻率過低時，自舉電壓會崩潰，穩(wěn)壓器停止開關，因此需要一定的最小負載才能正常工作。

輸出預充電檢測

在軟啟動之前，會監(jiān)測 FB 引腳，以確保 SW 電壓足夠低，以便為外部自舉電容 (C{BST}) 充電。如果 FB 引腳電壓高于 (V{SSEN})，重啟將延遲，直到輸出放電。

熱關斷

當內(nèi)部溫度超過安全水平時，熱關斷電路會抑制開關動作，重置軟啟動電路，并去除 DRV 電壓；當溫度恢復到安全水平時，開關自動恢復。

最小壓降電壓

在低輸入電壓下，最小關斷時間（決定最大占空比）和導通電阻是影響穩(wěn)壓器最小壓降的兩個主要參數(shù)。在連續(xù)導通模式（CCM）下，輸出電壓等于輸入電壓乘以占空比，但由于需要足夠的自舉電壓，占空比不能達到 100%，因此存在最大占空比限制。同時，導通電阻會產(chǎn)生電壓降，最終影響低輸入電壓下的最大輸出電壓。

設計方法

輸出電容設計

最小輸出電容值可以根據(jù)輸出電壓紋波的規(guī)格進行計算： [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，可通過以下公式計算： [Delta I{L}=frac{V{OUT } cdotleft(1-frac{V{OUT }}{V{IN }}right)}{L cdot F{SW}}] 同時，輸出電容的等效串聯(lián)電阻（ESR）不能超過 (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，輸出電容還需要能夠承受交流電流（或均方根紋波電流）： [I{OUTac }=frac{Delta I_{L}}{2 sqrt{3}}] 通常，使用兩個 10μF 的陶瓷電容并聯(lián)，搭配推薦的 4.7μH 電感，可以獲得很好的效果。

續(xù)流二極管設計

續(xù)流二極管的選擇需要考慮其最大電流和電壓額定值以及熱特性。最大反向電壓為最大輸入電壓（考慮開關節(jié)點的振鈴情況），最大正向電流為 NCV890100 的峰值電流限制 (I{LIM})。二極管的功率損耗 (P{Dloss}) 可通過以下公式計算： [P{Dloss }=I{OUT } cdotleft(1-frac{V{OUT }}{V{IN }}right) cdot V{F}+I{DRMS } cdot R{D}] 其中，(I{DRMS}) 為二極管中的均方根電流： [I{DRMS }=sqrt{(1-D)left(I{OUT }^{2}+frac{Delta I{L}^{2}}{12}right)}] (R{D}) 為二極管的動態(tài)電阻。根據(jù)二極管的封裝熱阻和 PCB 散熱情況，可以估算出相應的溫度上升。

輸入電容設計

輸入電容需要承受均方根輸入紋波電流 (I{INac})： [I{INac }=frac{Delta I_{L}}{2} sqrt{frac{D}{3}}] 可以與電感結合設計輸入濾波器，以濾除電源中的紋波電流，減少 EMI 傳導發(fā)射。例如，使用 4.7μF 的輸入電容和 200nH 的電感，可以使輸入濾波器的截止頻率低于 200kHz，有效衰減 2MHz 的紋波。

誤差放大器和環(huán)路傳遞函數(shù)

誤差放大器是跨導型放大器，其輸出電壓控制功率開關關斷時的峰值電感電流。采用電流模式控制方法，可以使用簡單的 II 型補償來根據(jù)系統(tǒng)要求優(yōu)化動態(tài)響應。總環(huán)路傳遞函數(shù)是功率級和反饋補償網(wǎng)絡的乘積，通過 Bode 圖可以顯示系統(tǒng)的增益和相位裕度，補償網(wǎng)絡的設計旨在確保系統(tǒng)具有足夠的相位裕度和帶寬。

補償網(wǎng)絡設計

補償網(wǎng)絡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。下面通過一個例子介紹設計步驟： 假設 (V{in}=15.5V)，(V{out}=3.3V)，(R{load}=2.75Omega)，(I{out}=1.2A)，(L = 4.7mu H)，(C{out}=20mu F)（(R{esr}=7mOmega)）。

• 反饋信號的參考電壓為 0.8V，為滿足最小負載要求，選擇 (R{FB1}=100Omega)，(R{FB2}=31.6Omega)。
• 選擇交叉頻率 (F_{c}=70kHz)，計算得出該頻率下功率級的增益為 -8dB（0.398），則反饋補償網(wǎng)絡的增益必須為 8dB。
• 確定補償器的一個零點和一個極點的位置，零點位于交叉頻率的 1/10 處（(F{z}=7000Hz)），極點位于開關頻率的 1/5 處（(F{p}=400000Hz)）。
• 通過以下公式計算 (R{COMP})、(C{COMP}) 和 (C{p})： [R{COMP }=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}}}] [C{COMP }=frac{1}{2 pi cdot Fz cdot RCOMP }] [C{p}=frac{1}{2 pi cdot Fp cdot RCOMP}] 計算得出 (R{COMP}=10.6KOmega)，(C{COMP}=2nF)，(C_{p}=37pF)。

PCB 布局建議

對于 NCV890100 這樣的高頻開關電源，PCB 布局非常關鍵。為了優(yōu)化布局，需要遵循以下準則：

• 最小化功率電流環(huán)路面積：包括輸入電容、NCV890100 開關、電感、輸出電容通過地返回的環(huán)路，以及續(xù)流二極管、電感、輸出電容通過地返回的環(huán)路。
• 最小化高阻抗信號長度：如反饋跡線和補償跡線，并將它們遠離功率環(huán)路。

總結

NCV890100 是一款性能出色的汽車降壓開關穩(wěn)壓器，具有多種保護功能和優(yōu)秀的電氣特性。在設計過程中，需要根據(jù)其特點合理選擇外部元件，優(yōu)化 PCB 布局，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。希望這篇博文能為電子工程師在使用 NCV890100 進行設計時提供一些有用的參考。大家在實際應用中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。