汽车级非同步升压控制器NCV8873：特性、原理与应用设计

在电子设计领域，升压控制器是实现电压转换的关键组件。今天我们要探讨的是安森美（onsemi）推出的汽车级非同步升压控制器NCV8873，它在诸多方面展现出卓越的性能与特性。

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一、产品概述

NCV8873是一款可调节输出的非同步升压控制器，能驱动外部N沟道MOSFET。它采用具有内部斜率补偿的峰值电流模式控制，内部调节器为栅极驱动器供电。该器件具备多种保护特性，如内部设定的软启动、欠压锁定、逐周期电流限制和热关断等，还拥有低静态电流睡眠模式和外部可同步的开关频率等附加特性。

（一）特性亮点

1. 控制模式：采用峰值电流模式控制并带有内部斜率补偿，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，还具备逐周期电流限制功能，且反馈回路简单，便于补偿。
2. 电压参考与频率：拥有0.2V ±3%的参考电压，适用于恒流负载；固定频率运行，开关频率为400kHz。
3. 电压范围与保护：输入电压范围宽，为3.2V至40V，能承受45V的负载突降；具备输入欠压锁定（UVLO）、内部软启动、逐周期电流限制保护和热关断（TSD）等功能，保障设备安全稳定运行。
4. 低功耗与环保：睡眠模式下静态电流低，且为无铅器件，符合环保要求。
5. 汽车级应用：带有NCV前缀，适用于汽车及其他有特殊场地和控制变更要求的应用，通过AEC - Q100认证且具备PPAP能力。

（二）引脚与封装

NCV8873采用SOIC - 8封装，不同引脚具有特定功能。例如，2脚ISNS用于连接接地电阻以感测开关电流进行调节；4脚GDRV连接到栅极以调整EMC性能等。

二、电气特性

（一）静态电流

在不同工作模式和温度条件下，NCV8873的静态电流表现不同。睡眠模式下，当VIN = 13.2V，EN = 0，TJ = 25°C时，静态电流为2.0μA；在−40°C < TJ < 125°C时，静态电流范围为2.0 - 6.0μA。无开关操作时，流入VIN引脚的静态电流为1.5 - 2.5mA；正常开关操作时，为4.0 - 6.0mA。

（二）振荡器参数

开关频率在YY = 02时为360 - 400kHz；软启动时间从开关开始且VFB = 0到参考电压等于VREF为3.3 - 4.7ms。

（三）使能/同步引脚特性

EN/SYNC引脚有三种模式，分别对应不同的工作状态。其下拉电流、输入高低电压、超时比率、同步最小频率比率、最大频率、同步延迟和同步占空比等都有相应的参数范围。

（四）其他特性

电流感测放大器、电压误差运算跨导放大器、栅极驱动器等部分也都有各自的电气参数，如电流感测放大器的输入 - 输出增益、带宽、输入偏置电流等；电压误差运算跨导放大器的跨导、输出电阻、参考电压等；栅极驱动器的源电流、驱动电压等。

三、工作原理

（一）电流模式控制

NCV8873采用电流模式控制方案，PWM斜坡信号来自功率开关电流，与误差放大器输出比较来控制功率开关导通时间。振荡器作为固定频率时钟确保恒定工作频率。相比传统电压模式控制，它能立即响应线路电压变化，具备逐周期电流限制功能，且反馈回路简单。同时，它还采用斜率补偿方案，在电流斜坡上叠加固定斜坡，提高电路稳定性。

（二）电流限制

具备峰值电流模式电流限制保护，当电流感测放大器检测到ISNS和GND之间的电压超过峰值电流限制时，功率开关在该周期剩余时间内关断。可通过连接ISNS到GND的电阻设置电流限制。若电流感测电阻两端电压超过过流阈值电压，器件进入软启动模式。

（三）EN/SYNC引脚功能

该引脚有三种模式，分别对应不同工作状态。在VIN上升过程中，若EN/SYNC引脚操作不当，可能导致内部逻辑进入无效状态，因此在VIN施加电压后至少500μs再施加EN/SYNC信号。若VIN引脚电压低于UVLO且EN/SYNC引脚为高电平时，IC可能无法正常上电，需将EN/SYNC引脚进行一次低 - 高电平转换以恢复正常工作。

（四）欠压锁定（UVLO）

输入欠压锁定功能确保VIN过低时设备不会出现意外行为。当VIN超过UVLO阈值加上滞后电压时，IC启动；当VIN低于UVLO阈值或器件被禁用时，IC关闭。为避免UVLO条件下的锁定状态，EN/SYNC引脚应处于低电平状态。

四、应用设计

（一）设计方法概述

以不连续导通模式（DCM）升压转换器驱动高亮度LED串为例，详细介绍了组件选择过程，包括定义操作参数、选择电流感测电阻、输出电感、输出电容、输入电容、反馈电阻、补偿器组件、MOSFET和二极管等步骤。

（二）具体设计步骤

1. 定义操作参数：确定输入电压范围、输出电压、LED电流、期望的逐周期电流限制等参数，并计算理想的最小和最大占空比。需注意输入电压高于输出电压时的情况，以及占空比计算结果对转换器工作的影响。
2. 选择电流感测电阻：根据公式RSNS = VCL / ICL选择合适的电阻，其中VCL为电流限制阈值电压，ICL为期望的电流限制。
3. 选择升压电感：电感控制开关周期内的电流纹波，需计算最大电感值、最大平均电感电流和峰值电感电流。选择组件时可先考虑在最小输入电压下实现DCM操作，并通过实验验证。
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。需计算稳态输出纹波和电容承受的RMS纹波电流。对于高亮度LED应用，在fs = 1MHz时，2.2μF陶瓷电容通常足够。
5. 选择输入电容：输入电容用于减少模块输入电压纹波，可根据公式计算其RMS电流。
6. 选择反馈电阻：反馈电阻用于感测LED电流，可根据公式RF1 = Vref / ILED计算。
7. 选择补偿器组件：NCV8873采用的电流模式控制方法允许使用简单的II型补偿，补偿组件需连接在补偿引脚和地之间。
8. 选择MOSFET：为确保栅极驱动电压不下降，所选MOSFET的总栅极电荷应满足Qg(total) ≤ Idrv / fs，同时需计算最大RMS电流和最大电压。
9. 选择二极管：输出二极管用于整流输出电流，需考虑其平均电流、阻断电压和最大功耗。

（三）低电压操作

当输入电压低于UVLO或MOSFET阈值电压时，可使用另一个电压为设备供电。可将需要升压的电压连接到电感，稳定电压连接到设备的VIN引脚。在升压配置中，转换器输出可用于为设备供电，必要时可通过二极管将两个电源连接到VIN引脚。

五、总结

NCV8873作为一款汽车级非同步升压控制器，凭借其丰富的特性、可靠的保护功能和灵活的应用设计，在电子设计领域具有广泛的应用前景。电子工程师在实际应用中，可根据具体需求合理选择组件，充分发挥NCV8873的性能优势。大家在使用NCV8873进行设计时，有没有遇到过什么特别的问题呢？欢迎在评论区分享交流。