汽车高压低功耗开关电源芯片NCV107x的技术剖析与应用设计

在电子设备的电源设计领域，开关电源（SMPS）以其高效、灵活的特点被广泛应用。今天，我们聚焦于安森美（onsemi）推出的NCV107x系列汽车高压低功耗开关电源芯片，深入探讨其功能特性、工作原理以及应用设计要点。

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产品概述

NCV107x系列产品集成了固定频率电流模式控制器和670 V的MOSFET，采用PDIP - 7封装，具有高度集成的特点，适用于汽车及其他对安全性和可靠性要求较高的应用场景。该系列包括NCV1072、NCV1075、NCV1076和NCV1077等型号，不同型号在电流限制、振荡频率等参数上有所差异。

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产品特性

高集成度与高性能

• 内置670 V MOSFET：不同型号的MOSFET导通电阻不同，如NCV1076/77的 (R_{DS(on)}) 为4.7 Ω ，NCV1072/75为11 Ω ，能够满足不同功率需求的设计。
• 电流模式固定频率工作：提供65 kHz、100 kHz和130 kHz三种可选频率，可根据实际应用场景选择合适的工作频率。
• 多种保护功能：具备过流保护、过压保护、短路保护、欠压锁定（UVLO）和热关断（TSD）等多种保护功能，有效提高系统的可靠性和稳定性。

轻载高效特性

• 频率折返功能：当输出功率需求降低时，芯片自动进入频率折返模式，降低开关频率，提高轻载效率。
• 跳周期操作：在极低负载情况下，芯片进入跳周期模式，减少不必要的开关损耗，进一步降低待机功耗，无负载输入功耗可低于50 mW。

其他特性

• 动态自供电（DSS）：无需辅助绕组，通过内部高压电流源为芯片提供电源，简化电路设计。
• 内置软启动：1 ms的软启动时间可减少上电应力，降低输出过冲。
• 频率抖动：通过±6%的频率抖动，改善电磁干扰（EMI）特性。

关键参数与性能指标

引脚功能

NCV107x系列芯片共有8个引脚，各引脚功能如下：	引脚编号	引脚名称	功能
1	VCC	为内部电路供电，连接外部电容，具备自动恢复过压保护功能
2	NC	空引脚
3	GND	芯片接地
4	FB	反馈信号输入，通过连接光耦调整峰值电流设定点
5	Drain	内部MOSFET的漏极连接
6		未连接引脚，确保高压引脚之间有足够的爬电距离
7	GND	芯片接地
8	GND	芯片接地

最大额定值

在使用NCV107x芯片时，需要注意各参数的最大额定值，如电源电压 (V{CC}) 为 - 0.3 V至10 V，漏极电压 (BV{dss}) 为 - 0.3 V至670 V等。超过这些额定值可能会损坏芯片，影响其正常工作和可靠性。

电气特性

文档详细列出了该系列芯片在不同温度和工作条件下的电气特性参数，如启动电压 (V{CC(on)})、关断电压 (V{CC(off)})、MOSFET导通电阻 (R{DS(on)})、振荡器频率 (f{OSC}) 等。这些参数是设计开关电源时的重要依据，设计者需要根据实际应用需求选择合适的芯片型号和工作条件。

工作原理与应用信息

启动序列

当电源从市电插座首次通电时，内部电流源对 (V{CC}) 电容充电。当 (V{CC}) 电容电压达到 (V{CC(on)}) 时，电流源关闭，输出级开始输出脉冲，激活功率MOSFET。随着电路消耗， (V{CC}) 电容电压下降，当低于 (V{CC(min)}) 时，内部电流源再次激活，将 (V{CC}) 提升至 (V_{CC(on)}) ，如此循环。

在设计时，需要合理选择 (V{CC}) 电容的大小，以避免 (V{CC}) 电压低于 (V{CC(off)}) 导致芯片停止工作。可根据公式 (C{VCC} geq frac{I{CC1}D{max}}{f{OSC} cdot Delta V}) 计算 (V{CC}) 电容的最小值。

保护机制

短路保护

芯片通过持续监测反馈线的活动来检测短路情况。当反馈电流低于阈值 (I{FB(fault)}) 时，启动 (t{SCP}) 定时器。如果定时器结束后故障仍存在，芯片进入安全的自动恢复突发模式，经过 (t_{recovery}) 时间后尝试重新启动。

过压保护

当使用辅助绕组为 (V{CC}) 引脚供电时，内部有源钳位会限制 (V{CC}) 的电压。当注入钳位的电流超过6.0 mA时，控制器停止开关，并在 (t{recovery}) 时间后尝试重新启动。为防止过压情况，可在辅助直流电平与 (V{CC}) 引脚之间插入限流电阻 (R{limit}) ，其取值范围可通过公式 (frac{V{nom } - V{C C(clamp) }}{I{trip }} leq R{limit } leq frac{V{stby } - V{CC(min) }}{I{CCskip }}) 确定。

线路检测

内部比较器会监测漏极电压，在短路保护、 (V{CC}) 过压保护、欠压锁定或热关断恢复后，如果漏极电压低于内部阈值 (V{HV(EN)}) ，则禁止内部功率开关，避免在过低的交流输入下工作。

频率折返与跳周期操作

为提高轻载效率，芯片采用了频率折返和跳周期操作。当反馈电流达到 (I{FBfold}) 时，振荡器开始降低开关频率；当反馈电流达到 (I{FBfold(end)}) 时，开关频率降至 (F_{min}) 。若此时输出功率继续下降，芯片进入跳周期模式，减少不必要的开关损耗。

设计流程与应用实例

设计步骤

确定输入输出参数

首先需要确定输入电压范围 (V{in})、输出电压 (V{out}) 和输出功率 (P{out}) 等参数。例如，假设 (V{in} min = 90 Vac)（整流后为127 Vdc）， (V{in} max = 265 Vac)（整流后为375 Vdc）， (V{out}= 12 V)， (P_{out}= 10 W)，工作模式为连续导通模式（CCM），效率 (eta = 0.8)。

确定匝数比

为避免横向MOSFET体二极管正向偏置，选择的匝数比 (N) 需满足 (N(V{out} + V{f}) < V_{in,min})。在上述例子中，可选择反射电压最大为120 Vdc，计算得到匝数比 (Np:Ns < 9.6)，这里选择 (N = 8)。

计算初级电感

根据公式 (L=frac{(V{in} d)^{2}}{f{sw } K P_{in }}) 计算初级电感，其中 (K) 为纹波系数。选择 (K = 1)（50%纹波）时，计算得到初级电感 (L = 3.8 mH)。

计算损耗

分别计算导通损耗、关断损耗和开通损耗，得到理论总功率损耗。同时，若芯片工作在DSS模式下，还需考虑DSS模式带来的损耗。

MOSFET保护

为保护MOSFET，需要限制其漏极电压在安全范围内。可采用简单电容、RCD网络或齐纳二极管/TVS等方式进行钳位保护，根据实际应用场景选择合适的保护方案。

应用实例

以基于NCV1075的10 W反激式转换器为例，通过短路J3禁用DSS功能，反馈通过NCP431实现。测试结果显示，在不同输入电压下，采用辅助绕组为芯片供电时，无负载功耗在26 mW至45 mW之间，体现了该芯片在低功耗应用中的优势。

总结与展望

NCV107x系列芯片凭借其高集成度、丰富的保护功能和优异的轻载效率，为汽车及其他应用领域的开关电源设计提供了一种可靠的解决方案。在实际设计过程中，工程师需要深入理解芯片的工作原理和性能指标，结合具体应用需求进行合理的电路设计和参数选择。同时，随着电子技术的不断发展，对于开关电源的性能要求也在不断提高，未来的芯片可能会在集成度、效率、EMI特性等方面进一步优化，为电子设备的发展提供更强大的支持。

各位工程师朋友，在使用NCV107x芯片进行设计时，你们遇到过哪些问题或有哪些独特的设计经验呢？欢迎在评论区分享交流。