深入解析onsemi NCV5171/73：高性能汽車級升壓轉(zhuǎn)換器

在電子工程師的日常工作中，電源管理芯片的選擇至關(guān)重要，它直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。今天，我們就來深入探討onsemi公司推出的NCV5171/73升壓轉(zhuǎn)換器，看看它在汽車及其他應(yīng)用中是如何發(fā)揮作用的。

文件下載：NCV5171-D.PDF

產(chǎn)品概述

NCV5171/73是兩款高性能的開關(guān)調(diào)節(jié)器，集成了1.5A的開關(guān)，工作頻率為280kHz/560kHz。它們具有寬輸入電壓范圍（2.7V - 30V），能夠適應(yīng)多種電源配置，包括升壓、反激、正激、反相和SEPIC等拓撲結(jié)構(gòu)。這種靈活性使得它們在不同的應(yīng)用場景中都能大顯身手。

產(chǎn)品特性

• 集成功率開關(guān)：保證1.5A的輸出電流，滿足大多數(shù)應(yīng)用的功率需求。
• 寬輸入范圍：2.7V - 30V的輸入電壓范圍，適應(yīng)不同的電源環(huán)境。
• 高頻操作：高頻率允許使用更小的外部組件，減小電路板尺寸。
• 最少外部組件：簡化了電路設(shè)計，降低了成本和復(fù)雜度。
• 易于外部同步：可與其他電源同步，減少干擾。
• 內(nèi)置過流保護：保護芯片和外部組件免受過大電流的損害。
• 頻率折返：在過流情況下降低組件應(yīng)力。
• 熱關(guān)斷帶遲滯：防止芯片過熱，提高可靠性。
• 低關(guān)斷電流：最大50μA，降低功耗。
• 引腳兼容：與LT1372/1373引腳兼容，方便替換。
• 汽車級應(yīng)用：NCV前綴適用于汽車和其他有特殊要求的應(yīng)用，符合AEC - Q100標準，具備PPAP能力。
• 無鉛封裝：符合環(huán)保要求。

電氣特性

極限參數(shù)

在使用NCV5171/73時，我們需要了解其極限參數(shù)，以確保芯片的安全運行。例如，結(jié)溫范圍為 - 40°C到 + 150°C，存儲溫度范圍為 - 65°C到 + 150°C。在焊接時，回流焊的峰值溫度為260°C（60 - 180秒高于237°C）。此外，芯片的ESD人體模型為1.2kV。

電氣參數(shù)

NCV5171/73的電氣參數(shù)涵蓋了多個方面，包括誤差放大器、振蕩器、同步/關(guān)斷、功率開關(guān)等。例如，F(xiàn)B參考電壓為1.246 - 1.300V，振蕩器頻率在NCV5171中為280 - 310kHz，在NCV5173中為460 - 620kHz。功率開關(guān)的飽和電壓通常小于1V，電流限制在1.9 - 2.4A之間。

工作原理

電流模式控制

NCV5171/73采用電流模式控制方案，PWM斜坡信號來自功率開關(guān)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(guān)的導(dǎo)通時間。這種控制方案相比傳統(tǒng)的電壓模式控制具有多個優(yōu)點，如對輸入電壓變化的快速響應(yīng)、脈沖逐脈沖電流限制以及更簡單的補償和更高的增益帶寬。

振蕩器和關(guān)斷

振蕩器經(jīng)過微調(diào)，保證18%的頻率精度。NCV5171的振蕩頻率為280kHz，NCV5173為560kHz。SS引腳的TTL兼容同步輸入能夠?qū)㈩l率同步到基頻的1.8倍。當SS引腳為低電平時，芯片將進入關(guān)斷模式，降低電源電流。

誤差放大器

FB引腳直接連接到正誤差放大器的反相輸入，其同相輸入由1.276V參考電壓提供。誤差放大器是一個跨導(dǎo)放大器，輸出阻抗約為1MΩ。VC引腳連接到誤差放大器的輸出，并在內(nèi)部鉗位在0.5V - 1.7V之間。

開關(guān)驅(qū)動器和功率開關(guān)

開關(guān)驅(qū)動器接收邏輯部分的控制信號，驅(qū)動輸出功率開關(guān)。功率開關(guān)通過發(fā)射極電阻接地，PGND與IC基板不連接，以隔離開關(guān)噪聲。開關(guān)的峰值電流由內(nèi)部電路鉗位，飽和電壓通常小于1V，以減少功率損耗。

組件選擇

頻率補償

頻率補償?shù)哪繕耸菍崿F(xiàn)理想的瞬態(tài)響應(yīng)和直流調(diào)節(jié)，同時確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。典型的補償網(wǎng)絡(luò)提供兩個極點和一個零點的頻率響應(yīng)。通過合理選擇補償元件的值，可以優(yōu)化系統(tǒng)的性能。

VSW電壓限制

在不同的拓撲結(jié)構(gòu)中，VSW引腳的最大電壓有所不同。在升壓拓撲中，VSW引腳的最大電壓等于最大輸出電壓加上輸出二極管的正向電壓。在反激拓撲中，VSW引腳的峰值電壓由輸入電壓、輸出電壓、變壓器匝數(shù)比等因素決定。為了防止VSW引腳的電壓超過最大額定值，可以使用瞬態(tài)電壓抑制器進行鉗位。

磁性組件選擇

選擇磁性組件時，需要考慮峰值電流、磁芯和鐵氧體材料、輸出電壓紋波、EMI、溫度范圍、物理尺寸和成本等因素。在升壓電路中，電感的平均電流等于輸出電流乘以電壓增益。通過合理選擇電感值，可以減小輸入電容和提高輸出電流能力。

輸入電容選擇

在升壓電路中，電感成為輸入濾波器的一部分，輸入電流波形為三角形，對輸入電容的要求較低。在反激電路中，輸入電流是不連續(xù)的，需要使用大容量、低ESR的電容進行能量存儲和濾波。

輸出電容選擇

輸出電壓紋波主要來自電容的ESR和充放電過程。通過合理選擇輸出電容的參數(shù)，可以減小輸出電壓紋波。

降低電流限制

在某些應(yīng)用中，可能需要降低開關(guān)電流的限制。可以通過在VC引腳和地之間連接外部分流器來降低其鉗位電壓，從而降低內(nèi)部功率晶體管的電流限制。

次諧波振蕩

次諧波振蕩是電流模式控制系統(tǒng)中常見的問題，當占空比超過50%時會出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。NCV5171/73通過內(nèi)部的斜率補償來解決這個問題。在某些情況下，如果仍然存在次諧波振蕩，可以添加外部電路來增加斜率補償。

軟啟動

通過添加外部電路，可以為NCV5171/73添加軟啟動功能。軟啟動電路可以防止VC引腳在啟動時突然升高，從而抑制電感電流的快速上升。

結(jié)溫計算

為了確保NCV5171/73的安全運行，需要計算芯片的功耗和預(yù)期結(jié)溫。芯片的功耗主要來自內(nèi)部控制電路的偏置、開關(guān)驅(qū)動器和開關(guān)飽和。通過計算功耗和使用結(jié)到環(huán)境的熱阻，可以計算出芯片的結(jié)溫。如果結(jié)溫超過150°C，芯片可能不適合該應(yīng)用。

電路布局指南

在設(shè)計開關(guān)電源時，電路布局非常重要。為了減少干擾和確保芯片的正常運行，需要遵循以下布局指南：

• 縮短高交流電流回路：在升壓電路中，二極管、輸出電容和片上功率晶體管組成的回路中存在高交流電流，應(yīng)盡量縮短相關(guān)走線和引腳的長度。在反激電路中，變壓器兩側(cè)的高交流電流回路也應(yīng)盡量縮短。
• 分離信號地和功率地：使用單點接地或接地平面結(jié)構(gòu)，以減少干擾。
• 靠近芯片放置反饋電阻：將電壓反饋電阻靠近芯片放置，以縮短敏感反饋線路的長度，并將其連接到低電流模擬地。

總結(jié)

NCV5171/73是一款功能強大、性能可靠的升壓轉(zhuǎn)換器，適用于汽車和其他多種應(yīng)用。通過深入了解其特性、工作原理和組件選擇方法，電子工程師可以更好地設(shè)計出高效、穩(wěn)定的電源系統(tǒng)。在實際應(yīng)用中，我們還需要根據(jù)具體的需求和場景進行合理的調(diào)整和優(yōu)化，以充分發(fā)揮芯片的性能。你在使用類似芯片時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。