汽车级非同步升压控制器 NCV8871 深度解析

在电子工程师的设计工作中，选择合适的升压控制器至关重要。今天我们就来深入探讨 onsemi 推出的汽车级非同步升压控制器 NCV8871，了解它的特性、工作原理以及应用设计方法。

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一、NCV8871 概述

NCV8871 是一款可调节输出的非同步升压控制器，能够驱动外部 N 沟道 MOSFET。它采用峰值电流模式控制，并具备内部斜率补偿功能。内部调节器为栅极驱动器提供电荷，还集成了多种保护特性，如内部设置的软启动、欠压锁定、逐周期电流限制、打嗝模式短路保护和热关断等。此外，它还具有低静态电流睡眠模式和外部可同步的开关频率等特点。

1.1 特性亮点

• 峰值电流模式控制：结合内部斜率补偿，能快速响应线路电压变化，消除输出滤波器和误差放大器带来的延迟，实现逐周期电流限制，简化补偿设计。
• 宽输入电压范围：支持 3.2 V 至 40 Vdc 的输入电压，能承受 45 V 的负载突降，适应多种复杂的电源环境。
• 丰富的保护功能：全方位保障电路安全，延长设备使用寿命。
• 低静态电流睡眠模式：有效降低功耗，提高能源效率。
• 外部可同步开关频率：方便与其他电路同步工作，增强系统的稳定性。

1.2 产品规格

• 参考电压：1.2 V ±2%，提供稳定的电压基准。
• 固定频率操作：不同型号的开关频率有所不同，如 NCV887100 为 170 kHz，NCV887103 为 340 kHz 等。
• 软启动时间：根据型号不同，软启动时间在 3.7 ms 至 7.4 ms 之间，可有效减少涌入电流和输出过冲。

二、引脚功能与绝对最大额定值

2.1 引脚连接与功能

引脚编号	引脚符号	功能
1	EN/SYNC	启用和同步输入，下降沿同步内部振荡器，低电平使器件进入睡眠模式
2	GND	接地参考
3	GDRV	栅极驱动器输出，连接外部 N - MOSFET 的栅极
4	VIN	输入电压，若需要自举操作，可连接二极管
5	VC	电压误差放大器的输出，外接补偿网络以稳定转换器

2.2 绝对最大额定值

在使用 NCV8871 时，必须严格遵守其绝对最大额定值，否则可能会损坏器件。例如，直流电源电压（VIN）范围为 -0.3 至 40 V，峰值瞬态电压（负载突降时的 VIN）为 45 V 等。

三、工作原理

3.1 电流模式控制

NCV8871 采用电流模式控制方案，PWM 斜坡信号源自功率开关电流。该斜坡信号与误差放大器的输出进行比较，以控制功率开关的导通时间。振荡器作为固定频率时钟，确保恒定的工作频率。与传统电压模式控制相比，电流模式控制具有响应速度快、能实现逐周期电流限制和简化补偿等优势。同时，内部斜率补偿方案通过在电流斜坡上叠加固定斜坡，提高了电路的稳定性。

3.2 电流限制

NCV8871 具备两种电流限制保护：峰值电流模式和过流锁定。当电流检测放大器在电流限制前沿消隐时间后检测到 ISNS 和 GND 之间的电压超过峰值电流限制时，峰值电流限制会使功率开关在该周期的剩余时间内关断。可通过从 ISNS 到 GND 的电阻设置电流限制。若电流检测电阻两端的电压超过过流阈值电压，器件将进入过流打嗝模式，关闭一段时间后再进行软启动。

3.3 短路保护

当短路使能位设置为（SCE = Y）时，器件会保护功率 MOSFET 免受损坏。当输出电压在初始短路消隐时间后低于短路跳闸电压时，器件进入短路锁定状态，关闭一段时间后再进行软启动。

3.4 EN/SYNC 引脚功能

EN/SYNC 引脚有三种工作模式：高电平时，器件以编程频率工作；低电平时，进入低静态电流睡眠模式；施加至少为自由运行开关频率 (% f_{sync, min }) 的方波时，开关以方波频率工作。为避免上电问题，EN/SYNC 信号应在 VIN 施加电压后至少 500 μs 再施加。

3.5 UVLO（欠压锁定）

输入欠压锁定功能确保当 VIN 过低无法支持内部电源轨和为控制器供电时，器件不会出现意外行为。当 VIN 超过 UVLO 阈值加上 UVLO 迟滞时，器件启动；当 VIN 低于 UVLO 阈值或器件被禁用时，器件关闭。

3.6 内部软启动

为确保适度的涌入电流并减少输出过冲，NCV8871 采用软启动功能，通过固定电流对电容充电来提升参考电压。软启动时间与开关频率相关，若同步到两倍默认开关频率，软启动时间将减半。

3.7 VDRV

内部调节器为栅极驱动器提供驱动电压，需使用陶瓷电容接地旁路，电容值在 0.1 μF 至 1 μF 之间，具体取决于外部 MOSFET 的开关速度和电荷要求。

四、应用设计

4.1 连续传导模式升压设计

4.1.1 定义操作参数

在设计前，需明确应用的操作参数，如最小输入电压 (V{IN(min)})、最大输入电压 (V{IN(max)})、输出电压 (V{OUT})、最大输出电流 (I{OUT(max)}) 和期望的逐周期电流限制 (I{CL}) 等。根据这些参数计算理想的最小和最大占空比 (D{min}) 和 (D{max})。同时，要确保计算得到的 (D{max}) 不超过 NCV8871 的 (D_{max}) 限制，否则转换可能无法实现。

4.1.2 选择电流检测电阻

电流检测依赖 MOSFET 电流信号，可通过在 MOSFET 源极与器件地之间连接电流检测电阻来实现。电阻值根据 (R{S}=frac{V{CL}}{I_{CL}}) 计算。

4.1.3 选择输出电感

输出电感控制开关周期内的电流纹波，合适的纹波值一般为最大负载下电感电流的 20 - 40%。根据公式 (L=frac{V{IN(WC)} D{WC}}{Delta I{L max } f{s}}) 计算电感值，同时计算最大平均电感电流 (I{LAVG}) 和峰值电感电流 (I{L, peak})。

4.1.4 选择输出电容

输出电容用于平滑输出电压，减少线路瞬变引起的过冲和下冲。根据公式计算稳态输出纹波和电容需承受的 RMS 纹波电流。建议使用多个陶瓷旁路电容并联，以提高瞬态响应。

4.1.5 选择输入电容

输入电容用于减少输入电压纹波，根据公式 (C{Cin(RMS)}=frac{V{IN(min )}^{2} D{WC}}{L f{s} V_{OUT } 2 sqrt{3}}) 计算电容值。

4.1.6 选择反馈电阻

反馈电阻构成从转换器输出到地的电阻分压器，分压后的电压等于 (V{ref})。可先选择下反馈电阻，再根据公式 (R{upper }=R{lower } frac{left(V{out }-V{ref }right)}{V{ref }}) 计算上反馈电阻。总反馈电阻应在 1 kΩ - 100 kΩ 范围内。

4.1.7 选择补偿器组件

NCV8871 采用的电流模式控制方法允许使用简单的 Type II 补偿来优化动态响应。

4.1.8 选择 MOSFET

为确保栅极驱动电压不下降，所选 MOSFET 的总栅极电荷 (Q{g( total )}) 应满足 (Q{g( total )} leq frac{Idrv}{f_{s}})。同时，计算 MOSFET 的最大 RMS 电流和最大电压。

4.1.9 选择二极管

输出二极管用于整流输出电流，其平均电流等于输出电流，需能承受输出电压和最大输入电压中的较高值。根据公式 (P{D}=V{f(max )} I_{OUT(max )}) 计算二极管的最大功耗。

4.1.10 确定反馈环路补偿网络

补偿网络的目的是稳定转换器的动态响应。通过优化补偿网络，可实现对输入线路和负载瞬变的稳定调节响应。补偿器设计涉及在闭环传递函数中放置极点和零点，同时要考虑 OTA 输出阻抗元件的影响。

4.2 SEPIC 拓扑应用设计

4.2.1 定义操作参数

与升压设计类似，先确定应用的操作参数，计算理想的最小和最大占空比 (D{min}) 和 (D{max})，并确保 (D{WC}) 不超过 NCV8871 的 (D{max}) 限制。

4.2.2 选择电流检测电阻

方法与升压设计相同，根据 (R{S}=frac{V{CL}}{I_{CL}}) 选择电阻。

4.2.3 选择 SEPIC 电感

电感的选择原则与升压设计类似，根据公式计算电感值、最大平均电感电流和峰值电感电流。

4.2.4 选择耦合电容

耦合电容的 RMS 电流较大，需使用低 ESR 陶瓷电容。根据公式 (Delta V{coupling }=frac{I{out } D{WC }}{C{coupling } f_{s}}) 计算电容值。若谐振频率在闭环交叉频率的约 1 个数量级内，可能需要在耦合电容上并联 RC 阻尼网络。

4.2.5 选择输出电容

输出电容的作用和计算方法与升压设计类似，同样建议使用多个陶瓷旁路电容并联。

4.2.6 选择输入电容

根据公式 (I{Cin(RMS)}=frac{Delta I{L 1}}{sqrt{12}}) 计算输入电容的 RMS 电流。

4.2.7 选择反馈电阻

方法与升压设计相同，确保总反馈电阻在 1 kΩ - 100 kΩ 范围内。

4.2.8 选择补偿器组件

采用 Type II 补偿优化动态响应。

4.2.9 选择 MOSFET

确保所选 MOSFET 满足 (Q{g( total )} leq frac{Idrv}{f{s}})，并计算最大 RMS 电流和最大电压。

4.2.10 选择二极管

二极管的选择原则与升压设计相同，需能承受输出电压和最大输入电压中的较高值。

五、总结

NCV8871 作为一款功能强大的汽车级非同步升压控制器，具有丰富的特性和保护功能，适用于多种应用场景。在设计过程中，工程师需要根据具体需求合理选择各个组件，确保电路的稳定性和性能。希望本文能为电子工程师在使用 NCV8871 进行设计时提供有价值的参考。大家在实际应用中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区交流分享。