深入解析NCP6323/NCV6323同步降壓轉(zhuǎn)換器

引言

在便攜式電子設(shè)備的電源設(shè)計中，高效、緊湊且性能穩(wěn)定的降壓轉(zhuǎn)換器至關(guān)重要。onsemi的NCP6323和NCV6323同步降壓轉(zhuǎn)換器就是這樣一款優(yōu)秀的產(chǎn)品，它專為單節(jié)鋰離子電池或三節(jié)堿性/鎳鎘/鎳氫電池供電的便攜式應(yīng)用而優(yōu)化。本文將深入探討這款轉(zhuǎn)換器的特點、性能以及設(shè)計要點，希望能為電子工程師們在實際設(shè)計中提供有價值的參考。

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產(chǎn)品概述

NCP/NCV6323是一款同步降壓轉(zhuǎn)換器，能夠為便攜式應(yīng)用的不同子系統(tǒng)提供高達(dá)2A的可調(diào)節(jié)輸出電壓。其3MHz的開關(guān)頻率允許使用小尺寸的電感和電容，同時采用輸入電源電壓前饋控制來應(yīng)對寬輸入電壓范圍，同步整流技術(shù)則提高了系統(tǒng)效率。該器件采用節(jié)省空間的2.0 x 2.0 x 0.75 mm WDFN8封裝或WDFNW8可焊側(cè)翼封裝，非常適合對空間要求較高的應(yīng)用。

產(chǎn)品特性

1. 寬輸入電壓范圍：2.5V至5.5V的輸入電壓范圍，能適應(yīng)多種電源供電。
2. 可調(diào)節(jié)輸出電壓：支持外部調(diào)節(jié)輸出電壓，滿足不同應(yīng)用的需求。
3. 高輸出電流：最大輸出電流可達(dá)2A，能夠為負(fù)載提供充足的功率。
4. 高頻開關(guān)：3MHz的開關(guān)頻率，可使用小尺寸的電感和電容，減小電路板尺寸。
5. 同步整流：提高系統(tǒng)效率，降低功耗。
6. 多種保護(hù)功能：包括過流保護(hù)、熱關(guān)斷保護(hù)、負(fù)電流保護(hù)等，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。
7. 軟啟動功能：限制啟動時的浪涌電流，保護(hù)電路元件。
8. 電源良好輸出選項：方便監(jiān)測輸出電壓狀態(tài)。
9. 主動放電功能：在禁用時可快速放電，確保系統(tǒng)安全。

典型應(yīng)用

該轉(zhuǎn)換器適用于多種便攜式設(shè)備，如手機(jī)、智能手機(jī)、個人數(shù)字助理（PDA）、便攜式媒體播放器、數(shù)碼相機(jī)、無線和DSL調(diào)制解調(diào)器、USB供電設(shè)備、負(fù)載點、游戲和娛樂系統(tǒng)等。

電氣特性分析

最大額定值

推薦工作條件

電氣特性

在典型測試條件下（VIN = 3.6V，VOUT = 1.8V，L = 1μH，C = 10μF，TJ = 25°C），該轉(zhuǎn)換器的電氣特性如下：

• 輸入電壓范圍：2.5V至5.5V
• 靜態(tài)電流：典型值為5.7mA
• 輸出電壓范圍：0.6V至VIN
• 最大輸出電流：2.0A
• 開關(guān)頻率：典型值為3.0MHz

工作模式與功能

PWM模式操作

在中重負(fù)載范圍內(nèi)，電感電流連續(xù)，器件以固定開關(guān)頻率（典型值為3MHz）的PWM模式工作。在這種模式下，輸出電壓通過內(nèi)部P - MOSFET的導(dǎo)通時間脈沖寬度調(diào)制進(jìn)行調(diào)節(jié)，內(nèi)部N - MOSFET作為同步整流器，其導(dǎo)通信號與P - MOSFET互補(bǔ)。

欠壓鎖定（UVLO）

輸入電壓VIN必須達(dá)到或超過2.5V（典型值），NCP/NCV6323才會使轉(zhuǎn)換器輸出開始啟動序列。UVLO閾值遲滯典型值為100mV。

使能功能

該器件具有使能邏輯輸入引腳EN。當(dāng)該引腳為高電平（高于1.1V）時，器件進(jìn)入工作模式；當(dāng)為低電平（低于0.4V）時，器件進(jìn)入關(guān)斷模式。內(nèi)部有一個時間常數(shù)為5s的濾波器，EN引腳由一個內(nèi)部10nA的電流源下拉。在大多數(shù)應(yīng)用中，EN信號可以獨立于VIN電源序列進(jìn)行編程。

電源良好輸出

器件監(jiān)測輸出電壓，并在PG引腳提供電源良好輸出信號。該引腳為開漏輸出引腳，當(dāng)轉(zhuǎn)換器輸出建立時，會提供電源良好信號。當(dāng)EN為高電平但輸出電壓未建立時，電源良好信號為低電平；當(dāng)轉(zhuǎn)換器輸出電壓在工作期間降至其調(diào)節(jié)值的90%以下時，電源良好信號被拉低，表示電源故障。在信號再次變高之前，電源良好比較器需要5%的遲滯。如果不使用該引腳，可以不連接。

軟啟動

軟啟動功能可限制轉(zhuǎn)換器啟用時的浪涌電流。在使能信號之后，經(jīng)過至少80μs的延遲時間，輸出電壓開始上升。從目標(biāo)電壓的10%上升到90%，NCP/NCV6323B典型需要100μs，NCP/NCV6323D典型需要240μs。

主動輸出放電

當(dāng)EN為低電平時，輸出放電操作激活。此時會啟用一個典型值為500Ω的放電電阻，通過SW引腳對輸出電容進(jìn)行放電。

逐周期電流限制

NCP6323采用固定值的逐周期電流限制來保護(hù)器件免受過流影響。典型峰值電流限制ILMT為2.8A。如果電感電流超過電流限制閾值，P - MOSFET將逐周期關(guān)斷。最大輸出電流可通過公式計算： [I{OUT{MAX}} = I{LMT} - frac{V{OUT} cdot (V{IN} - V{OUT})}{2 cdot V{IN} cdot f{SW} cdot L}] 其中，VIN為輸入電源電壓，VOUT為輸出電壓，L為濾波電感的電感值，fSW為3MHz的正常開關(guān)頻率。

負(fù)電流保護(hù)

NCP6323包含1A的負(fù)電流保護(hù)，有助于在需要高輸出電容值的應(yīng)用中保護(hù)內(nèi)部NMOS。

熱關(guān)斷

當(dāng)芯片溫度超過170°C時，NCP6323的熱關(guān)斷保護(hù)功能會啟動，以防止器件過熱。當(dāng)溫度降至125°C以下時，通過重新施加VIN和/或EN可以結(jié)束故障狀態(tài)。

應(yīng)用設(shè)計要點

輸出濾波器設(shè)計

輸出濾波器在系統(tǒng)中引入了一個雙極點，其頻率為： [f_{LC}=frac{1}{2 cdot pi cdot sqrt{L cdot C}}] NCP6323的內(nèi)部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計針對典型的輸出濾波器（由1.0μH電感和10μF陶瓷輸出電容組成，雙極點頻率約為50kHz）進(jìn)行了優(yōu)化。其他可能的輸出濾波器組合的雙極點頻率應(yīng)在50kHz左右，以與典型反饋網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)最佳配合。電感的正常選擇范圍為0.47μH至4.7μH，輸出電容的正常選擇范圍為4.7μF至22μF。

電感選擇

電感的電感值由給定的峰 - 峰紋波電流IL_PP（約為最大輸出電流IOUTMAX的20%至50%）決定，以在瞬態(tài)響應(yīng)和輸出紋波之間進(jìn)行權(quán)衡。對應(yīng)給定電流紋波的電感值為： [L=frac{(V{IN} - V{OUT}) cdot V{OUT}}{V{IN} cdot f{SW} cdot I{L{-} P P}}] 所選電感的飽和電流額定值必須高于最大峰值電流： [I{L{MAX}} = I{OUT{MAX}} + frac{I{L{PP}}}{2}] 同時，電感還需要有足夠的電流額定值以考慮溫度上升。低DCR有助于提高效率和降低溫度上升。

輸出電容選擇

輸出電容的選擇取決于輸出電壓紋波和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)要求。對于輸出濾波器電感中的給定峰 - 峰紋波電流ILPP，輸出電容上的輸出電壓紋波是三個紋波分量的總和： [V{OUT{PP}} approx V{OUT{PP}(C)} + V{OUT{PP}(ESR)} + V{OUT_{PP}(ESL)}] 其中，VOUT_PP(C)是由輸出電容的等效總電容產(chǎn)生的紋波分量，VOUT_PP(ESR)是由輸出電容的等效ESR產(chǎn)生的紋波分量，VOUTPP(ESL)是由輸出電容的等效ESL產(chǎn)生的紋波分量。在PWM操作模式下，這三個紋波分量可通過以下公式獲得： [V{OUT{PP}(C)} = frac{I{L{PP}}}{8 cdot C cdot f{SW}}] [V{OUT{PP}(ESR)} = I{L{PP}} cdot ESR] [V{OUT{PP}(ESL)} = frac{ESL}{ESL + L} cdot V{IN}] 峰 - 峰紋波電流為： [I{L{PP}} = frac{(V{IN} - V{OUT}) cdot V{OUT}}{V{IN} cdot f{SW} cdot L}] 在使用全陶瓷輸出電容的應(yīng)用中，輸出紋波的主要分量是VOUT_PP(C)。因此，在PWM操作模式下，可根據(jù)給定的輸出紋波要求VOUTPP計算最小輸出電容： [C{MIN} = frac{I{L{-} P P}}{8 cdot V{OUT{PP}} cdot f_{SW}}]

輸入電容選擇

輸入電容的選擇指南之一是輸入電壓紋波要求。為了最小化輸入電壓紋波并在輸入電源軌上獲得更好的去耦效果，建議使用陶瓷電容，因為其ESR和ESL較低。關(guān)于輸入紋波電壓VINPP的最小輸入電容為： [C{IN{MIN}} = frac{I{OUT{MAX}} cdot (D - D^{2})}{V{IN{PP}} cdot f{SW}}] 其中， [D = frac{V{OUT}}{V{IN}}] 此外，輸入電容需要能夠吸收輸入電流，其RMS值為： [I{IN{RMS}} = I{OUT{MAX}} cdot sqrt{D - D^{2}}] 輸入電容還需要足夠大以保護(hù)器件免受過電壓尖峰的影響，通常至少需要一個4.7μF的電容。輸入電容應(yīng)盡可能靠近IC放置在PCB上。

反饋網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

輸出電壓通過一個從VOUT連接到FB再到AGND的外部電阻分壓器進(jìn)行編程，編程后的輸出電壓為： [V{OUT} = V{FB} cdot (1 + frac{R{1}}{R{2}})] 其中，VFB等于內(nèi)部參考電壓0.6V，R1是從VOUT到FB的電阻，正常取值范圍為50kΩ至1MΩ，對于典型輸出濾波器的應(yīng)用，典型值為220kΩ；R2是從FB到AGND的電阻，用于根據(jù)公式（14）在選擇R1的值后編程輸出電壓。為了提供前饋功能以實現(xiàn)最佳瞬態(tài)響應(yīng)，需要在VOUT和FB之間使用一個電容Cfb。Cfb的正常取值范圍為0至100pF，對于典型輸出濾波器和R1 = 220kΩ的應(yīng)用，典型值為15pF。

布局考慮

電氣布局

良好的電氣布局是確保設(shè)備正常運行、提高效率和降低噪聲的關(guān)鍵。電氣布局指南如下：

• 使用寬而短的走線用于電源路徑（如PVIN、VOUT、SW和PGND），以減少寄生電感和高頻環(huán)路面積，同時有助于提高效率。
• 器件應(yīng)通過輸入電容進(jìn)行良好的去耦，輸入環(huán)路面積應(yīng)盡可能小，以減少寄生電感、輸入電壓尖峰和噪聲發(fā)射。
• SW節(jié)點應(yīng)采用大面積銅箔，但要緊湊，因為它也是一個噪聲源。
• 最好為PGND和AGND設(shè)置單獨的接地平面，并在一點連接這兩個平面。將AGND引腳直接連接到裸露焊盤，然后通過過孔連接到AGND接地平面。盡量避免輸入接地環(huán)路和輸出接地環(huán)路重疊，以防止噪聲影響輸出調(diào)節(jié)。
• 為輸出電壓感測和反饋網(wǎng)絡(luò)安排一條“安靜”的路徑，并使其被接地平面包圍。

熱布局

良好的熱布局有助于在小封裝中實現(xiàn)高功率耗散，同時降低溫度上升。熱布局指南如下：

• 裸露焊盤必須在電路板上良好焊接。建議使用具有實心接地平面的四層或更多層PCB板，以實現(xiàn)更好的散熱。
• 在IC周圍和/或裸露焊盤下方設(shè)置更多的自由過孔，以連接內(nèi)部接地層，降低熱阻抗。
• 使用大面積銅箔，特別是在頂層，以幫助熱傳導(dǎo)和輻射。
• 不要將電感放置得離IC太近，以分散熱源。

訂購信息

需要注意的是，部分器件已停產(chǎn)，請參考數(shù)據(jù)表第16頁的表格。

總結(jié)

NCP6323和NCV6323同步降壓轉(zhuǎn)換器憑借其高效、緊湊和多功能的特點，在便攜式電子設(shè)備電源設(shè)計中具有很大的優(yōu)勢。通過合理的設(shè)計和布局，能夠充分發(fā)揮其性能，為各種應(yīng)用提供穩(wěn)定可靠的電源解決方案。在實際設(shè)計過程中，工程師們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，仔細(xì)選擇外部元件，并遵循布局指南，以確保系統(tǒng)的最佳性能。你在使用這款轉(zhuǎn)換器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。