深入解析onsemi NCV81599/NCP81599 USB PD 4开关降压升压控制器

在当今的电子设备中，USB Power Delivery（PD）技术变得越来越重要，它能够实现更高功率的充电和数据传输。onsemi的NCV81599和NCP81599 USB PD 4开关降压升压控制器，就是为满足这一需求而设计的。今天，我们就来深入了解一下这两款控制器。

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一、产品概述

NCV81599和NCP81599是同步降压升压控制器，主要用于将电池电压或适配器电压转换为笔记本、平板电脑、台式机系统以及许多其他使用USB PD标准和C-Type电缆的消费设备所需的电源轨。NCV81599完全符合USB Power Delivery规范，适用于需要动态控制压摆率的输出电压应用，无论是高于还是低于输入电压的情况。它可以驱动4个NMOSFET开关，支持USB Power Delivery规范中指定的功能，适用于所有USB PD应用。其工作的电源和负载范围为4.5 V至32 V（NCV81599）或4.5 V至30 V（NCP81599）。

二、产品特性

2.1 宽输入电压范围

NCV81599的输入电压范围为4.5 V至32 V，NCP81599为4.5 V至30 V，能够适应不同的电源输入。

2.2 动态编程频率

频率可在150 kHz至1.2 MHz之间动态编程，默认开关频率为600 kHz。这样的设计可以根据不同的应用需求进行灵活调整，以优化效率和性能。

2.3 I²C接口

通过I²C接口，可以方便地对控制器进行配置和监控，实现对各种参数的精确控制。

2.4 实时电源良好指示

能够实时反馈电源的状态，让用户及时了解系统的工作情况。

2.5 控制压摆率电压转换

支持受控的压摆率电压转换，确保输出电压的平稳变化，减少电压波动对设备的影响。

2.6 反馈引脚与内部编程参考

反馈引脚连接到内部跨导误差放大器的反相输入，内部参考电压默认值为0.5 V，可通过电压配置寄存器进行调整，实现连续的输出电压配置。

2.7 支持多种充电协议

支持USB PD、QC2.0、QC3.0等充电协议，满足不同设备的充电需求。

2.8 独立电流感应输入

具有2个独立的电流感应输入，能够精确测量电流，实现对电流的有效控制。

2.9 多种保护功能

包括过温保护、自适应非重叠栅极驱动器、避免可听范围开关频率、过压和过流保护等，提高了系统的可靠性和稳定性。

2.10 AEC - Q100认证（NCV81599）

适用于汽车应用，满足汽车级的可靠性要求。

三、引脚功能与电气特性

3.1 引脚功能

文档详细介绍了每个引脚的功能，例如S1栅极驱动引脚用于驱动S1 N沟道MOSFET，CS1和CS2引脚用于电流感应等。了解这些引脚的功能对于正确使用控制器至关重要。

3.2 电气特性

在不同的测试条件下，给出了各种参数的典型值、最小值和最大值，如VDRV工作输入电压、VCC上升和下降阈值、电压输出精度、跨导放大器增益带宽积等。这些参数为工程师在设计电路时提供了重要的参考依据。

四、工作模式与控制策略

4.1 双边缘电流模式控制

采用双边缘电流模式控制时，会生成两个相位相差180度的电压斜坡，电感电流信号与斜坡相加，实现电流模式控制。根据COMP信号，系统可以在降压和升压模式之间平滑切换。

4.2 反馈与输出电压配置

通过电阻分压器将转换器输出电压的反馈连接到FB引脚，内部参考电压可通过电压配置寄存器进行调整，从而实现连续的输出电压配置。

4.3 跨导电压误差放大器

为了在电容大幅变化时保持环路稳定性，NCV81599可以将内部跨导误差放大器的跨导从87S调整到1000S，默认跨导为500S。

4.4 可编程压摆率

压摆率可通过I²C寄存器进行控制，默认压摆率为0.6 mV/s。在输出电压从0 V上升到用户选择的配置水平、从一个配置切换到另一个配置或动态改变输出电压时，压摆率发挥作用。

4.5 软启动与EN引脚

在0 V软启动时，标准转换器可以同步模式启动，输出电压单调上升。如果输出存在预偏置，控制器会以非同步模式完成软启动，防止输出放电。EN引脚有两个阈值，分别用于启动内部LDO和I²C功能以及开始降压 - 升压转换。

4.6 频率编程

开关频率可通过I²C接口在150 kHz至1.2 MHz之间编程，默认频率为600 kHz。为避免大负载电流时的过渡干扰，建议先禁用器件再进行频率编程。

五、电流感应与保护功能

5.1 电流感应放大器

内部精密差分放大器测量CSP1和CSN1或CSP2和CSN2之间的电位差，外部感测电阻RSENSE对电流感应和限制系统的功能有重要影响，需要谨慎选择。

5.2 正电流限制

具有逐脉冲电流限制功能，当正电流限制触发时，S1开关会关闭以限制过流事件中的能量。如果持续过流，控制器会进入打嗝模式。

5.3 正电流限制锁存关闭

除了正电流限制，还有锁存关闭过流保护，当触发时，所有四个开关会立即关闭，只有通过切换EN或输入电源循环才能复位器件。

5.4 负电流限制

在轻载同步操作、重载到轻载过渡、输出过压和高输出电压到低输出电压过渡等情况下，负电流限制会被激活，S4开关会关闭以防止输出电压放电。

5.5 过压保护（OVP）

当输出电压超过内部参考电压15%（典型值）且持续超过一个开关周期时，会触发OVP，S1关闭，S2打开，S3和S4进行调制以放电输出，同时防止电感电流超过I²C编程的负电流限制。

5.6 输入过压锁定（OVLO）保护

可以设置为锁存关闭或打嗝模式，当输入电压超过OVLO阈值且超过去抖时间时，会触发OVLO，所有开关关闭，DAC电压复位为0。

5.7 输出OVLO保护

用于保护MOSFET免受输出过压损坏，默认阈值为30V，可通过寄存器进行配置。当输出电压超过阈值且超过去抖时间时，会触发OVLO，所有开关关闭。

5.8 电源良好监控（PG）

提供两个窗口比较器来监控内部反馈电压，当反馈电压在电源良好窗口内且3.3 ms定时器到期时，会发出电源良好指示。

5.9 热关断

内部热关断电路可保护器件免受过热影响，当结温超过热关断阈值（典型值150°C）时，所有MOSFET会关闭，直到温度降至可接受水平。

六、其他功能

6.1 PFET驱动

PMOS驱动是一个开漏输出，用于控制PMOSFET开关的导通和关断，可作为截止开关、辅助电源的使能开关或电源的旁路开关。

6.2 模数转换器

7位A/D转换器可作为事件记录器、输入电压采样器、输出电压采样器、输入电流采样器或输出电流采样器，对实时数据进行数字化处理。

6.3 中断控制

中断控制器持续监控内部中断源，当检测到系统状态变化时会生成中断信号，可通过INTACK寄存器指示中断源，所有中断源可通过INTMSK寄存器进行屏蔽。

6.4 I²C接口

支持5 V TTL、LVTTL、2.5 V和1.8 V接口，采用400 kHz至1.2 MHz的I²C两线接口协议，与标准、快速和高速I²C模式兼容。

七、设计考虑与布局指南

7.1 dv/dt诱导的误开启

在同步降压转换器中，存在“低侧误开启”现象，4开关降压 - 升压转换器也不例外。在设计时，需要避免直接将降压转换器的电路参数复制到升压阶段，可通过选择合适的MOSFET和栅极驱动电阻来减少这种影响。

7.2 选择开关功率MOSFET

MOSFET的最大漏源电压额定值应超过稳态最大漏源电压和关断电压尖峰之和，并留有一定余量。同时，要考虑MOSFET的栅极电容，避免过载5 V LDO。

7.3 选择栅极驱动电阻

为提高转换器的dv/dt抗扰性，可以使用较高的上拉电阻和栅极电阻，或添加RC缓冲电路，但这可能会增加损耗。

7.4 电气布局考虑

良好的电气布局对于确保正常运行、提高效率和降低噪声至关重要。包括电流感应、栅极驱动、I²C通信、电源引脚的去耦等方面都需要注意。

7.5 热布局考虑

良好的热布局有助于散热和降低结温，可通过良好的焊接、多层PCB板、大面积铜箔等方式来实现。

八、总结

onsemi的NCV81599和NCP81599 USB PD 4开关降压升压控制器具有丰富的功能和良好的性能，适用于各种USB PD应用。在设计过程中，工程师需要充分了解其特性和工作原理，合理选择器件和进行布局，以确保系统的可靠性和稳定性。你在使用类似控制器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。