NCP3163、NCV3163 反相转换器与开关稳压器深度解析

一、产品概述

NCP3163 系列是对流行的 MC33163 和 MC34163 单片 DC - DC 转换器的性能提升产品。它由内部温度补偿基准、比较器、带有源电流限制电路的受控占空比振荡器、驱动器和高电流输出开关组成。该控制器专为在降压、升压或电压反相应用中使用最少的外部组件而设计，NCP3163 采用了露铜焊盘封装，可大大提高内置功率开关的散热能力。

文件下载：NCP3163BUCKGEVB.pdf

二、产品特性

电气性能

• 高输出电流：输出开关电流超过 3.0 A，峰值开关电流可达 3.4 A。
• 宽频率范围：频率可在 50 kHz 至 300 kHz 之间调节，且可外部调节工作频率。
• 精确输出控制：拥有 2% 精度的基准，可实现精确的输出电压控制。
• 高效驱动：驱动器具备自举能力，可提高效率。
• 电流限制与保护：具备逐周期电流限制、内部热关断保护功能。
• 低待机电流：能有效降低功耗。

应用特性

• 宽输入电压范围：可在 2.5 V 至 40 V 的输入电压下工作。
• 低电压指示输出：可直接与微处理器接口。
• 环保设计：为无铅器件，符合环保要求。
• 汽车级应用：NCV 前缀适用于汽车和其他需要现场和变更控制的应用。

三、引脚功能与参数

引脚功能

SOIC16	DFN18	PIN 名称	描述
1	15	LVI 输出	当 FB1 和 FB2 小于 LVI 阈值（Vth）时，此引脚吸收电流
2	16	电压反馈 2	将此引脚连接到输出端的电阻分压器，可根据图 22 中的 Vout 设计方程调节应用
3	17	电压反馈 1	将此引脚直接连接到输出端，可将器件调节到 5.05 V
4	18	GND	所有内部电路和功率开关的接地引脚
6	1	定时电容	连接一个电容到该引脚以设置频率。并联一个电阻会降低最大占空比并增加频率
7	3	VCC	IC 的电源引脚
8	4	Ipk Sense	当（VCC - VIPKsense）> 250 mV 时，电路逐脉冲重置输出驱动器
9	5	驱动集电极	电压驱动器集电极
10,11	6,7,8,9	开关集电极	内部开关晶体管集电极
14,15	10,11,12,13	开关发射极	内部开关晶体管发射极
16	14	自举输入	在低 VCC 电平下工作时，将此引脚连接到 VCC。对于某些拓扑，可使用串联电阻和电容来提高转换器效率
5,12,13	2	无连接	这些引脚无连接
露铜焊盘	露铜焊盘	露铜焊盘	封装下方的露铜焊盘必须连接到 GND（引脚 4）。此外，采用适当的布局技术，露铜焊盘可大大增强 NCP3163 的散热能力

最大额定值

额定值	符号	值	单位
电源电压	VCC	0 至 +40	V
开关集电极电压范围	VCSW	-1.0 至 +40	V
开关发射极电压范围	VESW	-2.0 至 +40	V
开关集电极到发射极电压	VCESW	+40	V
开关电流	Isw	3.4	A
驱动器集电极电压（引脚 8）	VCC	-1.0 至 +40	V
驱动器集电极电流（引脚 8）	ICC	150	mA
自举输入电流范围	JEST	-100 至 +100	mA
电流检测输入电压范围	VIPKSNS	（VCC - 7.0）至（VCC + 1.0）	V
反馈和定时电容输入电压范围	Vin	-1.0 至 +7.0	V
低电压指示输出电压范围	VCLVI	-1.0 至 +40	V
低电压指示输出吸收电流	ICLVI	10	mA
热阻（结到外壳）	Ruc	15	°C/W
热阻（结到空气）	RBA	56	°C/W
存储温度范围	Tstg	-65 至 +150	°C
最大结温	TJmax	+150	°C
工作环境温度（注 3）NCP3163 NCP3163B NCV3163	TA	0 至 +70 -40 至 +85 -40 至 +125	°C

四、工作原理

振荡器

振荡器频率和输出开关的导通时间由定时电容 (C{T}) 的值编程。(C{T}) 由 9:1 比例的内部电流源和吸收器充电和放电，在引脚 6 产生负向锯齿波。当 (C{T}) 充电时，振荡器输出产生一个内部脉冲，该脉冲连接到或非门中心输入，防止输出开关导通；连接到与门上部输入，若比较器输出为低，则允许锁存器复位。因此，输出开关在上升期间始终禁用，仅在下降开始时可由比较器输出启用。振荡器的峰值和谷值阈值分别为 1.25 V 和 0.55 V，充电电流为 225 μA，放电电流为 25 μA，最大导通时间占空比为 90%。对于特定的转换器配置，可能需要降低最大占空比，可通过在 (C{T}) 两端添加外部死区时间电阻 ((R_{DT})) 来实现，该电阻会增加放电电流，从而减少输出开关的导通时间。

反馈和低电压指示比较器

• 反馈比较器：输出电压控制由反馈比较器实现。反相输入内部偏置为 1.25 V 且未引出引脚。转换器输出电压通常通过两个外部电阻分压，并由引脚 2 的高阻抗同相输入监测。最大输入偏置电流为 ±0.4 μA，这可能导致输出电压误差，误差等于输入偏置电流与上部分压电阻值的乘积。对于需要 5.0 V 的应用，转换器输出可直接连接到引脚 3 的同相输入，引脚 2 的高阻抗输入必须接地以防止噪声拾取。内部电阻分压器设置为标称电压 5.05 V，额外的 50 mV 用于补偿从转换器输出到负载的电缆和连接器中的 1.0% 电压降。反馈比较器的输出状态由施加到两个同相输入中较高的电压控制。
• 低电压指示（LVI）比较器：设计用于基于微处理器的系统中作为复位控制器。反相输入内部偏置为 1.125 V，将同相输入阈值设置为标称值的 90%。LVI 比较器具有 15 mV 的迟滞，以防止复位操作不稳定。开集电极输出能够吸收超过 6.0 mA 的电流。可使用外部电阻 ((R{LVI})) 和电容 ((C{DLY})) 通过以下公式编程复位延迟时间 ((t{DLY}))： [t{D L Y}=R{L V I} cdot C{D L Y} cdot ln left(frac{1}{1-frac{V{th(M P U)}}{V{out }}}right)]

电流限制比较器、锁存器和热关断

在正常工作条件下，电压模式纹波转换器的输出开关导通由振荡器启动，由电压反馈比较器终止。当转换器输出过载或反馈电压检测丢失时，会出现异常工作条件。在这些条件下，电流限制比较器将保护输出开关。开关电流通过在 (V{CC}) 和输出开关晶体管 (Q{2}) 串联一个分数欧姆电阻 (R{SC}) 转换为电压。(R{SC}) 上的电压降由电流检测比较器监测。如果电压降相对于 (V{CC}) 超过 250 mV，比较器将设置锁存器并逐周期终止输出开关导通。这种比较器/锁存器配置确保输出开关在给定的振荡器周期内只有一个导通时间。(R{SC}) 的值计算如下： [R{SC}=frac{0.25}{I{pk (Switch)}}]

内部热关断电路用于在超过最大结温时保护 IC。当激活时（通常在 170°C），锁存器被强制进入“置位”状态，禁用输出开关。此功能用于防止因意外设备过热导致的灾难性故障，但不能替代适当的散热措施。

驱动器和输出开关

为了提高系统设计的灵活性和转换效率，驱动器电流源和集电极以及输出开关集电极和发射极分别引出引脚。这使设计人员可以选择以选定的强制增益将输出开关驱动到饱和状态，或在连接为达林顿管时将其驱动到接近饱和状态。输出开关在 2.5 A 时典型电流增益为 70，设计用于切换最大 40 V 的集电极到发射极电压，峰值集电极电流可达 3.4 A。

在降压或电压反相应用中，当开关关闭时，电感会使输出整流器正向偏置。不应使用具有高正向电压降或长导通延迟时间的整流器。如果发射极允许足够负，集电极电流将流动，导致额外的器件发热和降低转换效率。建议使用 1N5822 或等效的肖特基势垒整流器。

自举输入用于降低降压和电压反相转换器应用中的输出开关饱和电压。该输入通过串联电阻和电容连接到开关发射极，用于将内部 2.0 mA 偏置电流源提升到 (V{CC}) 以上。内部齐纳二极管将自举输入电压限制在 (V{CC}+7.0 V)。电容的等效串联电阻必须将齐纳电流限制在小于 100 mA。使用钽或其他低 ESR 电容时，可能需要额外的串联电阻。基于最小齐纳电压和上限电流源计算最小自举电容的公式如下： [C{B(min )}=1 frac{Delta t}{Delta V}=4.0 mA frac{t{on }}{4.0 V}=0.001 t_{on}]

五、应用设计

设计方程

NCP3163 可用于降压、升压和电压反相三种主要转换器拓扑，相关设计方程如下：	计算	降压	升压	电压反相
(t{on}/t{off})	(frac{V{out }+V{F}}{V{in } - V{sat }})	(frac{V{out }+V{F}}{V{in } - V{sat }})	(frac{V{out }+V{F}}{V{in } - V{sat }})
(t_{on})	(t{on}/t{off} times fleft(frac{t{on}}{t{off}} + 1right))	(t{on}/t{off} times fleft(frac{t{on}}{t{off}} + 1right))	(t{on}/t{off} times fleft(frac{t{on}}{t{off}} + 1right))
(C_{T})	(frac{32.143 cdot 10^{-6}}{f}-20 cdot 10^{-12})	(frac{32.143 cdot 10^{-6}}{f}-20 cdot 10^{-12})	(frac{32.143 cdot 10^{-6}}{f}-20 cdot 10^{-12})
(L(avg))	(I{out } left(frac{t{on}}{t_{off}} + 1right))	(I{out } left(frac{t{on}}{t_{off}} + 1right))	(I{out } left(frac{t{on}}{t_{off}} + 1right))
(I_{pk (Switch)})	(L(avg)+frac{Delta I_{L}}{2})	(L(avg)+frac{Delta I_{L}}{2})	(L(avg)+frac{Delta I_{L}}{2})
(R_{SC})	(frac{0.25}{I_{pk (Switch)}})	(frac{0.25}{I_{pk (Switch)}})	(frac{0.25}{I_{pk (Switch)}})
(L)	(left(frac{V{in } - V{sat } - V{out }}{Delta I{L}}right) t_{on })	(left(frac{V{in } - V{sat }}{Delta I{L}}right) t{off })	(left(frac{V{in } - V{sat }}{Delta I{L}}right) t{on })
(V_{ripple(pp)})	(Delta I{L} sqrt{left(frac{1}{f C{O}}right)^{2}+(ESR)^{2}})	(-frac{t{on } I{out }}{C_{O}})	(-frac{t{on } I{out }}{C_{O}})
(V_{out })	(V{ref }left(frac{R{2}}{R_{1}} + 1right))	(V{ref }left(frac{R{2}}{R_{1}} + 1right))	(V{ref }left(frac{R{2}}{R_{1}} + 1right))

典型应用示例 - 降压应用

组件名称	值
L	47 μH
D	2 A, 40 V 肖特基整流器
Cin	47 μF, 35 V
Cout	100 μF, 10 V
(C_{t})	270 pF ±10%
Rt	15 kΩ
R1	15 kΩ
R2	24.9 kΩ
Rsc	80 mΩ, 1 W
Cb	4.7 nF
Rb	200 Ω

测试结果：	测试	条件	结果
线性调整率	(V{in } = 8.0 V) 至 (24 V)，(I{out } = 2.5 A)	13 mV
负载调整率	(V{in } = 12 V)，(I{out } = 0) 至 (2.5 A)	25 mV
输出纹波	(V{in } = 12 V)，(I{out } = 0) 至 (2.5 A)	100 mVpp
效率	(V{in } = 12 V)，(I{out } = 2.5 A)	70.3%
短路电流	(V{in } = 12V)，(R{L} = 0.1Omega)	3.1 A

当 (V_{out } = 5.05 V) 时：	测试	条件	结果
线性调整率	(V{in } = 10.2 V) 至 (24 V)，(I{out } = 2.5 A)	54 mV
负载调整率	(V{in } = 12 V)，(I{out } = 0) 至 (2.5 A)	28 mV
输出纹波	(V{in } = 12V)，(I{out } = 0) 至 (2.5 A)	150 mVpp
效率	(V_{in }