汽车同步降压控制器NCV881930：特性、应用与设计要点

在汽车电子领域，电源管理至关重要。今天我们要深入探讨的是安森美（onsemi）的NCV881930低静态电流410 kHz汽车同步降压控制器，这款器件在汽车电子系统中有着广泛的应用前景。

文件下载：NCV881930-D.PDF

一、NCV881930概述

NCV881930是一款固定频率为410 kHz的低静态电流降压控制器，具备扩频功能，典型工作电压可达38 V。它能够与时钟或其他NCV881930同步，采用峰值电流模式控制，可在宽输入电压和输出负载范围内实现快速瞬态响应和精确调节。该器件内部集成了反馈补偿电路，简化了设计。其输入电压范围为3.5 V（启动时为4.5 V）至18 V，在负载突降条件下，当电压达到45 V时，稳压器会关闭。此外，它还采用了高压偏置稳压器，并可自动切换至外部5 V偏置电源，以提高效率。同时，具备欠压锁定（UVLO）、电流限制、短路保护和热关断等多种保护功能。

二、特性亮点

2.1 低静态电流与高效能

在无负载情况下，工作电流仅为30 A，有效降低了功耗。采用自适应非重叠电路，减少了MOSFET的体二极管导通时间，提高了效率，降低了功耗。

2.2 灵活的输出电压设置

可通过板载选择固定输出电压，并具有锁定功能。用户可以根据实际需求，将VSEL引脚接地或通过10 kΩ电阻连接到DBIAS，来设置输出电压为VSEL_LO或VSEL_HI。

2.3 扩频功能

集成扩频功能，可降低开关稳压器的峰值电磁辐射，减少电磁干扰（EMI）。通过伪随机发生器将振荡器频率设置为8个离散频率区间之一，将能量均匀分布在更宽的频带上，降低了410 kHz基频处的峰值能量。

2.4 同步功能

SYNCI和SYNCO引脚支持同步操作，可将多个NCV881930同步，也可与外部时钟同步。在不同的输入电压和SYNCI引脚状态下，控制器具有不同的工作模式和频率，以适应各种应用场景。

2.5 多种保护功能

具备UVLO、电流限制、短路保护和热关断等保护功能，确保器件在异常情况下的安全运行。当输入电压不足时，UVLO电路会抑制开关并重置软启动电路；当峰值电感电流达到电流限制阈值时，会进行占空比限制；当内部温度超过安全水平时，热关断电路会抑制开关并重置软启动电路。

三、典型应用

NCV881930适用于多种汽车电子应用，如收音机和信息娱乐系统、仪表和集群、高级驾驶辅助系统（ADAS）以及远程信息处理系统等。这些应用对电源的稳定性和效率要求较高，NCV881930能够满足这些需求。

四、引脚功能与参数

4.1 引脚功能

NCV881930采用QFN24封装，各引脚具有不同的功能。例如，V_CS为内部电流检测放大器的电源输入；CSP和CSN为差分电流检测放大器的输入；VOUT为开关模式电源（SMPS）的电压反馈；EN为逻辑电平使能输入；ROSC用于设置开关频率；SSC用于设置软启动时间等。

4.2 参数指标

• 最大额定值：不同引脚的电压范围有所不同，如EN、VIN、V_CS的直流电源电压范围为 -0.3至45 V；VSW引脚在t ≤ 50 ns时的电压范围为 -0.3至40 -2 V等。
• 电气特性：包括静态电流、输出电压、振荡器频率、同步特性等参数。例如，在VIN = 13 V、EN = 5 V、无开关且TJ = 25°C时，静态电流IQ,OFF典型值为40 A；开关频率在4.5V < VIN < VOVSR且RoSC = open时，典型值为410 kHz。

五、详细操作说明

5.1 输入电压管理

UVLO电路会监测输入电压，当电压不足时，会抑制开关并重置软启动电路。同时，过压监测电路会在输入电压超过37 V（最小值）时自动终止开关并禁用输出，但NCV881930能够承受高达45 V的输入电压。

5.2 输出电压设置

输出电压可通过VSEL引脚进行编程。在使能IC之前，必须选择输出电压设置选项，该选项会在软启动开始前锁定，当EN引脚切换或发生UVLO事件时，电压设置选项锁存会重置。

5.3 软启动功能

NCV881930具有外部可调的软启动功能，通过内部10 A电流源对连接到SSC引脚的外部软启动电容充电，以减少浪涌电流和输出电压过冲。在软启动期间，SYNCI功能禁用，控制器工作在二极管仿真模式，允许脉冲跳过。当SSC电压超过1.075 V时，SYNCI功能启用。

5.4 峰值电流模式控制

采用峰值电流模式控制方案，PWM斜坡信号来自功率开关电流，与误差放大器的输出进行比较，以控制功率开关的导通时间。内部产生固定斜率补偿信号，以避免在占空比超过50%时因电感纹波电流分叉而导致输出电压纹波增加。

5.5 电流检测

V_CS为内部电流检测放大器的电源输入，使用时需连接一个0.1 F的去耦电容。CSP和CSN为差分电流检测放大器的输入，需要采用开尔文连接到电流检测电阻，以减少噪声干扰。同时，为了提高噪声免疫力，可采用一些降噪措施，如使用并联检测电阻、避免走线靠近开关节点或高噪声走线等。

5.6 短路保护

当峰值电感电流达到电流限制阈值时，会进行占空比限制，输出电压相应折回。在严重短路情况下，若电感电流在下次GH激活周期开始时超过峰值电流限制阈值，会发生GH脉冲跳过，而GL脉冲将继续工作。

5.7 复位功能

RSTB引脚为高阻抗节点，当VOUT引脚电压超出调节范围时，经过短的噪声滤波延迟后，RSTB引脚会被拉低。可通过连接上拉电阻来产生逻辑高信号，并设置延迟时间，该引脚也可根据需要不连接。

5.8 使能功能

EN引脚可接受逻辑电平信号或电池电压作为使能信号。低电平信号会使控制器进入关机模式，关闭稳压器并将电源电流降至小于6 A。IC内部有滤波功能，可防止EN引脚上的噪声引起误操作。

5.9 占空比和最大脉冲宽度限制

最大GH占空比由最小允许的GH关断时间toff,MIN定义。当VIN < VIN_LOW且达到最大占空比时，会跳过一个或多个GH关断周期脉冲，以维持输出电压调节。

5.10 反馈电压误差放大器

采用运算跨导放大器（OTA）来处理反馈电压信息，OTA输出可吸收或提供高达3 A的电流。在正常工作时，误差放大器的最小电压在1.0 V至2.2 V之间；在轻负载时，逻辑会进入脉冲跳过模式。

5.11 自举功能

启动时，在SSC引脚允许上升之前，自举电容会通过一系列八个250 ns的GL脉冲（周期为2 s）进行充电。

5.12 驱动器

NCV881930具有栅极驱动器，可驱动外部N沟道MOSFET。采用自适应非重叠电路，可提高效率，防止MOSFET的交叉导通。GL驱动器在VSW小于0.4 V时启用，GH驱动器在GL电压小于2 V时启用。

5.13 SYNC功能

V_SO为SYNCO输出驱动器的电源电压，使用时需连接一个最小5 V电压额定值的陶瓷去耦电容。SYNCO脉冲可用于同步其他NCV881930 IC，SYNCI引脚可接受外部时钟信号。在软启动事件后，当SSC电压 > 1.075 V时，SYNCO变为有效。

5.14 二极管仿真模式

当SYNCI引脚开路或接地时，二极管仿真模式激活。电流检测模块中的比较器会检测CSP - CSN电压从正电压到0 V的转换，当检测到0 A时，底部GL信号会关闭低侧MOSFET，以防止负电感电流。

5.15 脉冲跳过模式

在接近不连续导通模式操作时，采用脉冲跳过模式来提高低电流工作效率。当内部电压反馈OTA补偿输出电压（VCOMP）达到预定的较低电压阈值时，IC控制逻辑进入脉冲跳过模式，以维持调节。

5.16 反馈回路测量

补偿网络和电压反馈OTA集成在IC内部，可通过在电源输出和IC - VOUT之间注入信号来测量开环响应。在二极管仿真模式下，当脉冲跳过时，OTA反馈回路禁用，采用滞回型模式控制。

5.17 电流限制和过流保护

电流限制激活的传播延迟通常约为39 ns，尽管由于该延迟会导致峰值电感电流略有增加，但电压调节仍会继续。如果峰值电感电流在传播延迟后出现，占空比将减小。

5.18 振荡器

ROSC电阻接地连接不应共享功率路径，建议采用开尔文连接到IC - GND。ROSC电阻值可用于设置开关频率，可根据公式计算所需的电阻值。

5.19 扩频功能

通过伪随机发生器将振荡器频率设置为8个离散频率区间之一，降低了410 kHz基频处的峰值能量，减少了电磁辐射。

5.20 热关断

当内部温度超过热关断激活温度（TSD）时，热关断电路会抑制开关并重置软启动电路；当温度恢复到安全水平时，开关会自动恢复。

5.21 效率

在高侧和低侧晶体管都关断的短暂时间内，续流电流会通过低侧晶体管的本征体二极管流动。可在低侧晶体管上并联一个肖特基二极管，以提高效率。

5.22 暴露焊盘

EPAD必须与PCB上的模拟和功率电气接地GND和PGND引脚电气连接，以确保正常、无噪声的操作。

六、应用设计方法

6.1 操作参数定义

在进行设计之前，需要定义一些操作参数，如输入电压VIN、输出电压VOUT、输出电流IOUT和期望的典型电流限制ICL等。并根据这些参数计算最小占空比DMIN、典型占空比D和最大占空比DMAX。

6.2 开关频率选择

选择开关频率需要在组件尺寸和功率损耗之间进行权衡。较高的开关频率允许使用较小的电感和电容值，但会增加MOSFET的开关损耗，降低效率。可通过ROSC引脚连接的电阻来编程开关频率，同时要考虑最小关断时间和最小导通时间对最大允许开关频率的限制。

6.3 输出电感选择

选择输出电感需要考虑机械和电气因素。较小的电感值通常对应较小的物理尺寸，但较大的电感值会限制开关在负载瞬变时的电流变化能力。通常选择电感的纹波电流为输出额定电流的20 - 40%，并根据公式计算电感值。同时，要选择饱和电流足够高于峰值输出电流的电感，以确保电感在峰值输出电流时接近标称值。

6.4 电流检测电阻选择

电流检测电阻用于将电感电流转换为电压，通过电流检测放大器进行测量。可根据公式计算电流检测电阻的值，同时要考虑电感变化和负载瞬态响应所需的额外电流。

6.5 输出电容选择

建议使用铝聚合物/混合大容量电容器与陶瓷电容器结合，以降低 -40°C/25°C ESR比。输出电容在负载阶跃时提供增量负载电流，可根据最大允许的输出电压过冲和电感启动过冲电流来选择最小和最大电容值。同时，要选择具有低等效串联电阻（ESR）和等效串联电感（ESL）的电容，以确保良好的瞬态响应和低输出电压纹波。

6.6 输入电容选择

输入EMI电容器必须能够承受高侧MOSFET导通期间产生的纹波电流，并具有低ESR以减少损耗。可根据公式计算输入电容的RMS纹波电流和功率损耗。通常使用陶瓷电容器与大容量电解/聚合物输入电容器并联，以减少开关电压纹波。

6.7 热考虑

由于该控制器可能用于电流超过10 A的应用，因此需要考虑热管理。建议使用2 oz（70微米）铜用于高电流处理层，采用4层或更多层的电路板，将控制器放置在同步MOSFET开关附近，并最大化IC下方的散热表面积，使用大量的热过孔。

七、总结

NCV881930是一款功能强大的汽车同步降压控制器，具有低静态电流、扩频功能、多种保护功能等特点，适用于多种汽车电子应用。在设计过程中，需要根据具体应用需求，合理选择外部组件，如电感、电容、电流检测电阻等，并考虑热管理等因素，以确保系统的稳定性和可靠性。希望本文对电子工程师在使用NCV881930进行设计时有所帮助。大家在实际应用中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。