深入解析 NCP81239 和 NCP81239A USB 功率传输控制器

在电子设备的电源管理领域，USB 功率传输（PD）技术的应用越来越广泛。今天，我们将深入探讨 onsemi 公司的 NCP81239 和 NCP81239A USB 功率传输 4 开关降压 - 升压控制器，了解它们的特性、功能和设计要点。

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一、产品概述

NCP81239 是一款同步降压 - 升压控制器，专为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 型电缆的消费设备所需的电源轨而优化。当与 USB PD 或 C 型接口控制器配合使用时，NCP81239 完全符合 USB 功率传输规范。它适用于需要动态控制压摆率限制输出电压的应用，输出电压可以高于或低于输入电压。NCP81239 驱动 4 个 NMOSFET 开关，能够实现降压或升压功能，并支持 USB 功率传输规范中规定的功能，适用于所有 USB PD 应用。NCP81239A 在功能上与 NCP81239 相同，只是 (I^{2}C) 地址不同。

二、产品特性

1. 宽输入电压范围

支持 4.5 V 至 32 V 的输入电压范围，能够适应多种电源输入。

2. 动态编程频率

频率可在 150 kHz 至 1.2 MHz 范围内动态编程，提供了灵活的设计选项。

3. (I^{2}C) 接口

方便与其他设备进行通信和配置，实现对控制器的精确控制。

4. 实时功率良好指示

能够实时指示输出功率的状态，便于监控和故障排查。

5. 受控压摆率电压转换

确保输出电压的平稳过渡，减少电压波动对设备的影响。

6. 反馈引脚与内部编程参考

通过内部编程参考和反馈引脚，实现对输出电压的精确控制。

7. 支持多种协议

支持 USBPD/QC2.0/QC3.0 配置文件，增强了产品的兼容性。

8. 双独立电流感应输入

能够独立监测输入和输出电流，实现更精确的电流控制。

9. 过温保护

当芯片温度过高时，自动保护芯片，防止损坏。

10. 自适应非重叠栅极驱动器

优化开关驱动，提高效率和可靠性。

11. 滤波电容器开关控制

有效控制滤波电容器的接入和断开，改善电源质量。

12. 过压和过流保护

保护设备免受过高电压和电流的损害。

13. 死电池电源支持

在电池没电的情况下，仍能提供一定的电源支持。

14. 5 x 5 mm QFN32 封装

紧凑的封装形式，节省电路板空间。

三、典型应用

NCP81239 和 NCP81239A 适用于多种应用场景，包括但不限于：

• 笔记本电脑、平板电脑和台式机
• 一体机
• 显示器、电视和机顶盒
• 消费电子产品
• 汽车充电器
• 扩展坞
• 移动电源

四、引脚功能描述

该控制器共有 32 个引脚，每个引脚都有特定的功能，以下是部分重要引脚的介绍：

1. HSG1 和 HSG2

分别驱动 S1 和 S4 N 沟道 MOSFET，电压等于 VDRV 叠加在开关节点电压上。

2. LSG1 和 LSG2

分别驱动 S2 和 S3 N 沟道 MOSFET，电压在接地和 VDRV 之间。

3. PGND

低侧 MOSFET 驱动器的电源地，应紧密连接到底部 N 沟道 MOSFET 的源极。

4. CSN1 和 CSN2

电流感应放大器的负端。

5. CSP1 和 CSP2

电流感应放大器的正端。

6. V1

转换器的输入电压。

7. CS1 和 CS2

电流感应放大器的输出，可监测与 RS1 或 RS2 两端电压成比例的电流。

8. CLIND

开漏输出，指示 CS1 或 CS2 电压是否超过 (I^{2}C) 编程的限制。

9. SDA 和 SCL

(I^{2}C) 接口的数据线和时钟线。

10. INT

中断输出，指示输出功率状态、内部热跳闸和其他 (I^{2}C) 可编程功能。

11. CFET

控制外部 MOSFET 的驱动，连接大容量输出电容器到电源转换器的输出。

12. VDRV

驱动器电路的内部电压供应，需使用 1 μF 电容器进行去耦。

13. VCC

内部电路的电源供应，由线性稳压器从 V1 供电，需使用 1 μF 电容器进行去耦。

五、电气特性

1. 电源供应

• V1 工作输入电压范围为 4.5 V 至 32 V。
• VDRV 工作输入电压范围为 4.5 V 至 5.5 V。
• VCC 欠压锁定（UVLO）上升阈值为 4.3 V，滞后为 300 mV。
• VCC 输出电压在无外部负载时为 4.5 V 至 5 V，30 mA 负载时的压降为 150 mV。
• VCC 输出电流限制为 80 mA（典型值）。

  2. 电压输出

• 电压输出精度在不同 DAC_TARGET 设置下有所不同，例如 DAC_TARGET = 00110010 时为 0.495 V 至 2.02 V。
• 温度范围内的电压精度变化最大为 5 mV。

  3. 跨导放大器

• 增益带宽积（GBW）和跨导（GM1）的具体数值由设计确保，但未进行生产测试。
• 最大输出源电流限制为 80 μA。

  4. 振荡器频率

  默认开关频率为 600 kHz，可通过 (I^{2}C) 接口在 150 kHz 至 1.2 MHz 范围内编程。

  5. 最小导通时间和关断时间

  最小导通时间为 50 ns，最小关断时间为 90 ns。

六、应用信息

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 信号的高低，系统可以在降压和升压模式之间平滑切换。

2. 反馈和输出电压配置文件

转换器输出电压的反馈通过电阻分压器连接到设备的 FB 引脚。内部 FB 连接到内部跨导误差放大器的反相输入，非反相输入连接到内部参考电压（默认 0.5 V）。通过电压配置文件寄存器（01H），可以以 10 mV 或 5 mV 的步长将参考电压从 0.1 V 调整到 2.55 V，从而实现连续的输出电压配置文件。

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，NCP81239 可以将内部跨导误差放大器的跨导从 87 μS 调整到 1000 μS，默认跨导为 500 μS。

4. 可编程压摆率

压摆率通过 (I^{2}C) 寄存器控制，默认压摆率为 0.6 mV/μs。压摆率用于输出电压从 0 V 开始上升到用户选择的配置文件水平、从一个配置文件切换到另一个配置文件或动态改变输出电压时。

5. 软启动

在 0 V 软启动时，标准转换器可以在同步模式下启动并实现输出电压的单调上升。如果输出存在预偏置，且转换器在同步模式下启动，预偏置电压可能会被放电。NCP81239 控制器确保在检测到预偏置（低于输入）时，软启动以非同步模式完成，防止输出放电。

6. 频率编程

开关频率可以通过 (I^{2}C) 接口在 150 kHz 至 1.2 MHz 范围内编程，默认开关频率为 600 kHz。为了避免在大负载电流下出现过渡毛刺，建议先禁用设备，然后再编程到不同的频率。

7. 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 (R_{SENSE}) 对电流感测和限制系统的功能有重要影响，需要谨慎选择。电流感测信号分为外部路径和内部路径，外部路径允许用户观察高侧电流感测的模拟或数字输出，内部路径实现逐周期的精确电流限制。

8. 正电流限制内部路径

当正电流限制触发时，NCP81239 会启动逐脉冲电流限制功能。在过流事件中，S1 开关会关闭以限制能量。如果在 2 ms 内持续过流，控制器将进入快速停止状态，所有开关关闭 10 ms。如果短路条件清除，设备将软启动到先前编程的电压和电流水平。

9. 负电流限制内部路径

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可能会被激活。当检测到负电流超过限制时，S4 开关会关闭，防止输出电压放电。

10. 外部路径（CS1、CS2、CLIND）

CS1 和 CS2 引脚可以监测感测电阻上的电压降，通过跨导放大器将电压降转换为电流。最终输出增益由用户选择的 (R_{CS}) 电阻决定。CS1 和 CS2 电压连接到内部高速低失调比较器，当外部 CLIND 标志触发时，表示内部比较器之一已超过预设限制。

11. 过压保护（OVP）

当分压后的输出电压比内部参考电压高 120%（典型值）且持续时间超过一个开关周期时，会触发过压故障。在过压故障期间，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 (I^{2}C) 编程的负电流限制。

12. 功率良好监测（PG）

NCP81239 提供两个窗口比较器来监测内部反馈电压。目标电压窗口为参考电压的 ±5%（典型值）。当反馈电压在功率良好窗口内，且 3.3 ms 定时器到期后，会发出功率良好指示。如果反馈电压超出 ±7.5% 的窗口超过一个开关周期，功率良好寄存器将被重置。

13. 热关断

内部热关断电路可保护 NCP81239 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 将被关闭，直到温度降至可接受水平。故障将报告到故障寄存器，INT 标志将被设置，除非被屏蔽。

14. CFET 开启

CFET 用于在消费者和提供者成功协商后接入输出大容量电容。USB 功率传输规范要求在吸收功率时，VBUS 轨上的电容不超过 30 μF。协商完成后，可以添加更大的电容以适应更高的功率水平。NCP81239 采用右驱动电路，缓慢开启 MOSFET，逐渐降低漏源电阻。

15. PFET 驱动

PMOS 驱动是一个开漏输出，用于控制 PMOSFET 开关的开启和关闭。外部 PMOS 可以用作截止开关、辅助电源的使能开关或电源的旁路开关。

16. 模数转换器

模数转换器是一个 7 位 A/D 转换器，可用于事件记录、输入电压采样、输出电压采样、输入电流采样或输出电流采样。转换器在采样期间对实时数据进行数字化处理。

17. 中断控制

中断控制器持续监测内部中断源，当检测到系统状态变化时生成中断信号。所有中断源可以通过在 INTMSK 寄存器中写入 1 进行屏蔽。INT 引脚是一个开漏输出，非屏蔽的中断请求将使 INT 引脚拉高。

18. (I^{2}C) 地址

NCP81239 和 NCP81239A 功能相同，但工厂 (I^{2}C) 地址不同，分别为 0x74 和 0x75。

19. (I^{2}C) 接口

(I^{2}C) 接口支持 5 V TTL、LVTTL、2.5 V 和 1.8 V 接口，通过两个精密 SCL 和 SDA 比较器实现 1 V 阈值。该接口支持标准、快速和高速 (I^{2}C) 模式，NCP81239 作为从设备，由主控制器控制时钟和读写操作。

七、设计考虑

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”或“dv/dt 诱导开启”现象，4 开关降压 - 升压转换器也不例外。为了避免这种现象，需要仔细选择开关功率 MOSFET 和栅极驱动电阻。

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 20% - 50% 的余量。同时，应考虑 MOSFET 的栅极电容，避免过载 5 V LDO。建议选择输入电容小于 3 nF 的 MOSFET，栅极阈值电压应高于 1.0 V。

3. 选择栅极驱动电阻

为了提高转换器的 dv/dt 抗扰性，可以使用较高的上拉电阻和栅极电阻，或者添加 RC 缓冲电路到开关节点。但这些方法会增加开关损耗。

八、布局指南

1. 电气布局考虑

• 电流感测：从输入侧或输出侧电流感测电阻的两端引出两条专用走线，保持走线宽度合适并相互靠近，以减小环路面积。在控制器附近放置共模 RC 滤波组件。
• 栅极驱动：高侧栅极、低侧栅极和开关节点走线应平行且宽度合适，避免敏感模拟信号走线交叉或靠近。建议将 Vsw1/2 走线连接到高侧 MOSFET 源极引脚，而不是铜浇铸区域。控制器应靠近开关 MOSFET 的栅极端子，保持栅极驱动信号走线短。
• (I^{2}C) 通信：SDA 和 SCL 引脚为数字引脚，走线应平行，减小环路面积，避免敏感模拟信号走线或噪声源交叉或靠近。
• V1 引脚：内部 LDO 的输入，在控制器附近放置去耦电容，从系统输入总线引出专用走线连接到该引脚，避免靠近开关走线。
• VCC 去耦：在控制器 VCC 引脚附近尽可能靠近放置去耦电容，在 VDRV 引脚附近放置 RC 滤波器，滤波器电阻不应高于 10 Ω，以防止大的电压降。
• VDRV 去耦：在控制器 VDRV 引脚附近尽可能靠近放置去耦电容。
• 输入去耦：使用输入电容对设备进行良好的去耦，减小输入环路面积，以降低寄生电感、输入电压尖峰和噪声发射。通常在输入端口附近放置一个小的低 ESL MLCC。
• 输出去耦：输出电容应尽可能靠近负载。
• 开关节点：转换器的开关节点应为铜浇铸区域，以承载电流，但应紧凑，因为它也是电磁场辐射的噪声源。将电感和开关 MOSFET 放置在 PCB 的同一层。
• 自举：自举电容和可选电阻应靠近控制器，并分别直接连接在 BST1/2 引脚和 SW1/2 引脚之间。
• 接地：建议为 PGND 和 AGND 分别设置独立的接地平面，并通过专用网络连接或 0 Ω 电阻将 AGND 平面连接到 PGND。
• 电压感测：为输入和输出电压感测提供“安静”的路径，当需要差分感测时，可以使用 AGND 作为远程接地感测。
• 补偿网络：补偿网络应靠近控制器，保持 FB 走线短，以减小对地电容。

  2. 热布局考虑

• 暴露焊盘应在电路板上良好焊接。
• 建议使用具有实心接地平面的四层或更多层 PCB 板，以提高散热性能。
• 在 IC 周围和暴露焊盘下方添加更多的过孔，以连接内部接地层，降低热阻抗。
• 使用大面积铜浇铸区域来帮助热传导和辐射。
• 避免将电感放置得离 IC 太近，以分散热源。

九、总结

NCP81239 和 NCP81239A USB 功率传输 4 开关降压 - 升压控制器具有丰富的功能和特性，适用于多种 USB PD 应用。在设计过程中，需要充分考虑引脚功能、电气特性、应用信息、设计考虑和布局指南等方面，以确保控制器的性能和可靠性