探索 ON Semiconductor NCV107x 系列：汽车高压开关的卓越之选

在电子工程领域，电源管理一直是一个关键的研究方向。特别是在汽车电子等对稳定性和可靠性要求极高的领域，一款性能出色的开关电源控制器显得尤为重要。今天，我们就来深入探讨 ON Semiconductor 的 NCV1072、NCV1075、NCV1076 和 NCV1077 这几款产品，看看它们在汽车高压开关应用中能带来怎样的惊喜。

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产品概述

NCV107x 系列产品将固定频率电流模式控制器与 670 V MOSFET 集成在一起，采用 PDIP - 7 封装，具有高度集成的特点。它集成了软启动、频率抖动、短路保护、跳周期、最大峰值电流设定点、斜坡补偿和动态自供电等功能，无需辅助绕组，大大简化了电路设计。

与其他单片解决方案不同，NCV107x 天生安静。在标称负载运行期间，该器件以 65、100 或 130 kHz 中的一个可用频率进行开关操作。当输出功率需求降低时，IC 会自动进入频率折返模式，在轻负载下提供出色的效率。当功率需求进一步降低时，它会进入跳周期模式，将待机功耗降低到无负载条件。

简化的内部电路架构

典型应用电路

 

产品特性解析

强大的 MOSFET 性能

内置 670 V MOSFET，其中 NCV1076/77 的 $R{DS(on)}$ 为 4.7 Ω，NCV1072/75 的 $R{DS(on)}$ 为 11 Ω。这种低导通电阻能够有效降低功率损耗，提高电源效率。同时，高压引脚之间的大爬电距离确保了在高压环境下的安全性和可靠性。

灵活的频率选择

支持 65 / 100 / 130 kHz 的固定频率电流模式操作，不同的型号对应不同的峰值电流。例如，NCV1072 的峰值电流为 250 mA，NCV1075 为 450 mA，NCV1076 为 650 mA，NCV1077 为 800 mA。这种多样化的选择可以满足不同应用场景的需求。

全面的保护功能

• 短路保护：通过持续监测反馈线活动，IC 能够检测到短路的存在，并立即降低输出功率，实现系统的全面保护。当反馈电流低于阈值 $I{FB(fault)}$ 时，会启动一个 $t{sCP}$ 定时器。如果定时器结束时故障仍然存在，设备将进入安全的自动恢复突发模式，受固定定时器周期 $t_{recovery}$ 的影响。一旦短路消失，控制器将恢复正常运行。
• 过压保护：当使用辅助绕组为 $V{CC}$ 引脚偏置时，内部有源钳位将电源动态限制在 $V{CC(clamp)}$。如果注入该钳位的电流超过 6.0 mA（最小值），控制器将立即停止开关操作，并等待一个完整的定时器周期 $(t_{recovery})$ 后再尝试重新启动。
• 温度保护：内部温度关断功能可确保在温度过高时自动停止工作，保护器件不受损坏。当温度下降到一定程度后，会自动恢复正常工作。

高效的节能设计

• 动态自供电：内部高压电流源使得该器件可以在无需辅助绕组的情况下提供电源电压，降低了成本和设计复杂度。
• 频率折返和跳周期操作：在轻负载条件下，通过频率折返和跳周期操作，能够显著降低功耗，提高能源利用效率。

电气特性分析

电源管理相关参数

• $V_{CC}$ 启动和停止电压：不同型号的 $V{CC}$ 启动电压和停止电压略有差异。例如，NCV1072/75 的 $V{CC(on)}$ 为 7.8 - 8.6 V，$V{CC(off)}$ 为 6.1 - 6.6 V；NCV1076/77 的 $V{CC(on)}$ 为 7.7 - 8.5 V，$V_{CC(off)}$ 为 6.1 - 6.6 V。这些参数的精确控制确保了器件在不同电源电压下的稳定启动和停止。
• $V_{CC}$ 最小电压和复位电压：$V{CC(min)}$ 为 6.5 - 7.2 V，当 $V{CC}$ 下降到该值时，高压电流源将重新启动。$V_{CC(reset)}$ 为 4 V，此时内部锁存器将被复位。

电流比较器参数

不同型号在不同频率下的最终开关电流不同。例如，在 65 kHz 且初级斜率为 200 mA/μs 时，NCV1072 的最终开关电流为 296 mA，NCV1075 为 510 mA，NCV1076 为 732 mA，NCV1077 为 881 mA。这些参数对于准确设计电源电路至关重要。

振荡器和反馈参数

• 振荡频率：不同版本的振荡频率在一定范围内波动，例如 65 kHz 版本的振荡频率为 59 - 71 kHz，100 kHz 版本为 90 - 110 kHz，130 kHz 版本为 117 - 143 kHz。频率抖动为 ±6%，抖动摆动频率为 300 Hz。
• 反馈参数：反馈电流用于检测故障、设置内部电流设定点等。例如，$I{FB(fault)}$ 为 -35 μA 时检测到故障，$I{FB100\%}$ 为 -44 μA 时内部电流设定点为 100%。

应用设计要点

启动序列和 $V_{CC}$ 电容设计

在启动时，内部电流源为 $V{CC}$ 电容充电。当 $V{CC}$ 达到 $V{CC(on)}$ 时，电流源关闭，输出级开始工作。$V{CC}$ 电容的选择非常重要，需要满足 $C{VCC} \geq \frac{I{CC1} D{max}}{f{OSC} \cdot \Delta V}$ 的条件。以 NCV1072 65 kHz 器件为例，$C_{VCC}$ 应大于 $\frac{0.8 m \cdot 72\%}{59 kHz \cdot 0.4}$，考虑到温度漂移和开关损耗等因素，建议选择大于 0.1 μF 的电容。

故障条件处理

• $V_{CC}$ 短路故障：在某些故障情况下，$V{CC}$ 与 GND 之间可能会发生短路。为避免过高的功耗和温度升高，控制器采用了两级启动电流 $I{start1}$ 和 $I{start2}$。在启动初期，当 $V{CC}$ 低于 2.4 V 时，提供 $I{start2}$（约 500 μA）；当 $V{CC}$ 达到 2.4 V 时，切换到 $I_{start1}$ 并提供标称值。
• 输出短路故障：当输出发生短路或过载时，NCV107X 会通过低频突发模式保护自身和电源。一旦检测到故障，会启动故障计数器 $t{sCP}$，如果故障仍然存在，将进入自动恢复模式，受 $t{recovery}$ 控制。

自动恢复过压保护

当光耦故障导致输出电压失控时，NCV107X 的自动恢复过压保护功能可以发挥作用。内部有源齐纳二极管监测和保护 $V{CC}$ 引脚，当 $V{CC}$ 电压过高时，控制器会停止内部驱动器。经过 $t_{recovery}$ 延迟后，会尝试重新启动。为了提高过压保护的精度，可以在限流电阻上添加一个简单的齐纳二极管。

其他设计要点

• 软启动：1 ms 的软启动功能可以降低上电应力，减少输出过冲。NCV107X 的专利结构提供了更好的软启动斜坡，几乎忽略了传统电流模式电源固有的启动基座。
• 抖动：频率抖动可以将能量分散在主开关组件附近，改善 EMI 特性。NCV107X 的频率抖动为 ±6%，抖动摆动频率为 300 Hz。
• 线路检测：内部比较器监测漏极电压，当漏极电压低于内部阈值 $V_{HV(EN)}$ 时，内部功率开关将被禁止，避免在过低的交流输入下工作。
• 频率折返：当反馈电流超过 $I{FBfold}$ 时，振荡器进入频率折返模式，降低开关频率，提高轻负载性能。当反馈电流达到 $I{FBfold(end)}$ 时，频率降至 $F_{min}$（典型值为 25 kHz），如果输出功率继续降低，将进入跳周期模式。

典型应用案例

以一个 10 W NCV1075 基于反激式转换器的低待机功率应用为例。在该应用中，建议通过短路 J3 禁用动态自供电，以给 MOSFET 留出更多空间。反馈通过 NCP431 实现，其低偏置电流（50 μA）有助于降低无负载待机功率。实际测量结果显示，在不同交流输入电压下，使用辅助绕组偏置器件时的无负载功耗分别为：100 Vac 时为 26 mW，115 Vac 时为 28 mW，230 Vac 时为 38 mW，265 Vac 时为 45 mW。

总结

ON Semiconductor 的 NCV107x 系列产品凭借其高度集成的设计、全面的保护功能、高效的节能特性和灵活的电气参数，为汽车和其他需要独特场地和控制变更要求的应用提供了出色的解决方案。在实际设计过程中，需要根据具体的应用需求和电气特性，合理选择器件型号，并注意启动序列、故障处理、过压保护等设计要点，以确保电源电路的稳定性和可靠性。

你在使用这些器件进行设计时，是否遇到过一些特殊的问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。