汽车级多输出电源管理单元NCV97310A：特性、应用与设计指南

在汽车电子领域，电源管理单元（PMU）的性能直接影响到整个系统的稳定性和可靠性。今天我们要探讨的是安森美（onsemi）推出的一款汽车级多输出电源管理单元——NCV97310A，它具备多种先进特性，适用于多种汽车应用场景。

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一、产品概述

NCV97310A是一款三输出调节器，由一个低静态电流（Iq）、与电池连接的3A、2MHz非同步开关稳压器和两个低压1.5A、2MHz同步开关稳压器组成，所有开关稳压器均采用集成功率晶体管。

1. 高电压开关稳压器

高电压开关稳压器能够将4.1V至18V的电池输入转换为3.3V输出，开关频率恒定为2MHz，最大输出电流可达3A。在过压条件下（最高36V），开关频率会降至1MHz；在负载突降条件下（最高45V），稳压器会关闭。

2. 下游同步开关稳压器

电池连接的降压稳压器的输出作为两个下游同步开关稳压器的低压输入。每个下游输出电压可在1.2V至2.8V之间调节，平均电流限制为1.5A，开关频率恒定为2MHz。每个开关稳压器都有独立的使能和复位引脚，提供了额外的电源管理灵活性。

3. 低Iq工作模式

在低Iq工作模式下，低压开关稳压器被禁用，备用轨由一个低Iq的LDO（最大150mA）供电，典型Iq为30μA。LDO稳压器与高电压开关稳压器并联，当开关稳压器处于待机模式时被激活。

二、产品特性

1. 低静态电流

在待机模式下具有低静态电流，有助于降低系统功耗。

2. 可编程扩频技术

采用可编程扩频技术，可有效降低电磁干扰（EMI）。

3. 大转换比

电池连接的开关稳压器具有18V至3.3V的大转换比，适用于多种电源输入场景。

4. 宽输入电压范围

输入电压范围为4.1V至45V，并具备欠压锁定（UVLO）功能，增强了系统的稳定性。

5. 固定频率操作

开关频率可在2.0至2.6MHz之间调节，满足不同应用的需求。

6. 多种保护功能

具备内部1.5ms软启动、逐周期电流限制保护、打嗝式过流保护（OCP）、独立复位引脚（可调节延迟）等多种保护功能，提高了系统的可靠性。

7. 封装与兼容性

采用QFN封装，引脚边缘可焊，适用于汽车及其他对场地和控制变更有特殊要求的应用，符合AEC - Q100标准，具备PPAP能力，并且是无铅、无卤素、符合RoHS标准的产品。

三、典型应用

NCV97310A适用于多种汽车应用场景，如信息娱乐系统、车身电子、远程信息处理系统和电子控制单元（ECU）等。

四、电气特性

1. 最大额定值

包括各引脚的电压范围、热阻、存储温度范围、工作结温范围、ESD耐受电压、湿度敏感度和峰值回流焊接温度等参数。在设计时，必须确保各参数不超过最大额定值，否则可能会损坏器件，影响其功能和可靠性。

2. 推荐工作条件

推荐的输入电压范围为4.5V至36V，环境温度范围为 - 40°C至125°C。超出这些范围可能会影响器件的可靠性。

3. 引脚功能描述

详细介绍了每个引脚的功能，如VBAT为电池输入电压引脚，EN为高压主使能信号引脚，STBYB为模式选择信号引脚等。正确理解和使用这些引脚对于实现电源管理单元的正常功能至关重要。

4. 电气参数

包括静态电流、欠压锁定、输出电压、误差放大器、振荡器、过压保护、频率折返、斜率补偿、功率开关等方面的参数。这些参数是设计电路时的重要依据，不同的应用场景可能需要根据这些参数进行相应的调整。

五、应用信息

1. 输入电压

主电源从VBAT引脚获取，电压范围为4.1V至36V。低于4.1V时，欠压锁定电路会抑制所有开关操作；高于36V时，过压关机电路会抑制所有开关操作。LDO的输入引脚VINL必须与VBAT连接，以确保正常工作。开关器2和3分别有独立的输入引脚VIN2和VIN3，建议将它们连接到VOUT1。

2. 振荡器

三个开关稳压器共享同一个振荡器，默认频率为2.0MHz，可通过外部电阻（ROSC）将频率调节到2.0至2.6MHz。当开关器1进入最大占空比频率折返时，开关器2和3仍保持其标称开关频率。

3. 扩频技术

采用“上扩频”技术，可将开关频率从2.0MHz向上扩展，通过外部电阻设置调制深度和调制频率，从而降低开关稳压器的峰值电磁辐射。

4. 主使能

将EN引脚接地可完全禁用NCV97310A，使所有输出停止，内部电流消耗降至10μA以下。

5. 复位

当OUTx引脚电压低于复位阈值时，开漏输出RSTBx会被拉低。RSTB1引脚在低Iq模式下仍能正常工作，需要连接上拉电阻。

6. 延迟

RSTB信号可作为带延迟的复位信号或电源正常信号，延迟时间由流入RSTBx引脚的电流决定。

7. 最小压降

在低输入电压下，最小关断时间和导通电阻会影响稳压器的最小压降。

8. 错误标志

ERRB引脚为开漏输出，用于标记多个内部错误检测器的状态。

9. 热关断

当内部温度超过安全水平时，热关断电路会抑制开关操作，温度恢复正常后会自动恢复。

10. 电感选择

默认推荐使用4.7μH的电感，也可根据公式计算选择合适的电感值。同时，需要根据公式判断工作模式是连续导通模式还是不连续导通模式。

六、开关器1特性

1. 输出电压

主降压输出和低Iq LDO输出固定为3.3V。

2. 高电压频率折返

当输入电压超过VBAT频率折返阈值时，开关频率会降低一半，输入电压下降到阈值以下时恢复正常。

3. 低Iq模式

将STBYB引脚接地可进入低Iq调节模式，此时开关器1关闭，低Iq LDO开启，开关器2和3自动禁用。

4. 软启动

在使能或故障恢复后，软启动电路会将开关稳压器误差放大器的参考电压斜坡上升到最终值。

5. 误差放大器

误差放大器为跨导型放大器，采用电流模式控制方法，可使用简单的II型补偿优化动态响应。

6. 斜率补偿

内部生成固定斜率补偿信号，以避免占空比超过50%时出现次谐波振荡。

7. 短路频率折返

在严重输出过载或短路时，开关器1会自动降低开关频率，若频率降至最低仍无法解决问题，会进入打嗝模式。

8. 自举

DRV1引脚的内部稳压器为外部电容充电，以确保自举电容的正常工作。

9. 电流限制

由于电感电流的纹波，降压转换器的平均输出电流低于调节器的峰值电流设定点。

七、开关器2和3特性

1. 使能

当EN2或EN3引脚施加直流逻辑高电压且STBYB引脚为高电平时，开关器2或3可以正常工作。

2. 软启动

使能或故障恢复后，先在VDRV2引脚建立电压，然后软启动电路将误差放大器的参考电压斜坡上升到最终值。

3. 误差放大器

误差放大器为电压型放大器，具有固定的内部补偿，输出电压控制功率开关的关断。

4. 斜率补偿

内部生成固定斜率补偿信号，为避免次谐波振荡，不同输出电压需要选择合适的电感值。

5. 短路频率折返

在严重输出过载或短路时，开关器2和3会自动进入自动恢复突发模式。

6. 电流限制

由于电感电流的纹波，降压转换器的平均输出电流低于调节器的峰值电流设定点。

7. 输出电压选择

开关器2和3的输出电压可通过电阻分压器进行调节，FB参考电压为1.2V。

8. 重负载噪声性能

在重负载条件下，建议使用缓冲电路以改善噪声性能。

八、机械封装与焊接

产品采用QFNW32 5x5, 0.5P封装，提供了详细的封装尺寸和标记图。同时，推荐了焊接焊盘，并提供了相关的焊接和安装技术参考手册。

总结

NCV97310A是一款功能强大、性能可靠的汽车级多输出电源管理单元，具有多种先进特性和保护功能，适用于多种汽车应用场景。在设计过程中，电子工程师需要根据具体的应用需求，合理选择电感、电阻等元件，正确使用各引脚功能，以确保系统的稳定性和可靠性。你在使用类似电源管理单元时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。