汽车级降压开关稳压器 NCV890200 的设计与应用

在汽车电子系统中，电源管理是至关重要的一环。今天我们要介绍的是安森美（onsemi）推出的一款适用于汽车应用的降压开关稳压器——NCV890200。它具备诸多优秀特性，能满足汽车电池连接应用的多种需求。

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产品概述

NCV890200 是一款固定频率、单片式降压开关稳压器，专为汽车电池连接应用而设计，可在高达 36V 的输入电源下工作。它非常适合对噪声要求低、外形尺寸小的系统，常见于汽车驾驶员信息系统中。该稳压器能够将典型的 4.5V 至 18V 汽车输入电压范围转换为低至 3.3V 的输出电压，且开关频率恒定在敏感 AM 频段以上，无需昂贵的滤波器和 EMI 对策。此外，它还提供了电流限制、短路保护和热关断等多种保护功能，即使使用小电感值和全陶瓷输出滤波电容，高开关频率也能产生低输出电压纹波，形成高效的开关稳压器解决方案。

产品特性

电气性能

• 宽输入电压范围：支持 4.5V 至 36V 的输入电压，能承受高达 40V 的负载突降，适应汽车复杂的电源环境。
• 高开关频率：2MHz 的自由运行开关频率，有助于减少外部元件尺寸，降低成本。
• 低静态电流：在关断模式下，静态电流极低，可有效降低功耗。
• 精确的输出电压调节：输出电压可调至 0.8V，输出电压容差为 ±1.75%，能提供稳定的电源输出。

保护功能

• 电流限制：具备 2.2A（最小值）的逐周期峰值电流限制，可防止过流损坏。
• 短路保护：通过频率折返增强短路保护功能，确保在短路情况下安全可靠。
• 热关断：当内部温度超过安全水平时，热关断电路会自动抑制开关操作，保护器件。

其他特性

• 逻辑电平使能输入：可直接连接电池作为使能信号，方便控制。
• 内部软启动：1.4 毫秒的内部软启动功能，可减少启动时的电流冲击。
• 符合汽车标准：具有 NCV 前缀，适用于汽车及其他有独特场地和控制变更要求的应用，符合 AEC - Q100 标准，具备 PPAP 能力，且为无铅产品，符合 RoHS 标准。

引脚功能

引脚编号	符号	描述
1	VIN	电池输入电压，需在该引脚附近放置输入滤波电容。
2	DRV	为功率开关栅极驱动器提供稳压输出电压。
3	GND	电池返回端和输出电压接地参考。
4	EN	TTL 兼容使能输入，可直接连接电池作为使能信号。接地时停止开关操作，将静态电流降至最低。
5	COMP	误差放大器输出，用于通过外部补偿元件调整瞬态响应。
6	FB	反馈输入引脚，用于编程输出电压，并检测预充电或短路输出条件。
7	BST	自举输入，为 N 沟道功率开关提供高于 VIN 的驱动电压，以实现最佳开关导通电阻和最高效率。
8	SW	稳压器的开关节点，连接输出电感和续流二极管的阴极。
暴露焊盘		连接到引脚 3（电气接地），并连接到低热阻路径以实现环境温度散热。

工作原理与特性曲线

输入电压管理

欠压锁定（UVLO）电路会监测输入电压，当电压不足时，会抑制开关操作并重置软启动电路。NCV890200 可在输入电压高于 4.5V 时调节 3.3V 输出，高于 6.5V 时调节 5.0V 输出，且能承受高达 40V 的输入电压。当输入电压超过 (V{IN}) 频率折返阈值 (V{FLDUP}) 时，开关频率会降低一半，以减少功率损耗；当输入电压降至 (V_{FLDUP}) 以下时，频率降低自动终止。

使能控制

NCV890200 可接受逻辑电平信号或电池电压作为使能信号。当 EN 引脚为低电平时，进入“睡眠模式”，关闭稳压器并将电源电流降至最低；使能时，DRV 引脚建立电压，随后开关稳压器输出进行软启动。

软启动

使能或从故障状态恢复后，且 DRV 电压建立后，软启动电路会将开关稳压器误差放大器参考电压斜坡上升至最终值。在软启动期间，平均开关频率低于正常模式值（通常为 2MHz），直到输出电压接近调节值。

斜率补偿

内部生成固定斜率补偿信号并添加到感测电流中，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。为避免次谐波振荡，电感需大于最小值，对于 3.3V 和 5V 输出电压，推荐电感值为 4.7μH。

短路频率折返

在严重输出过载或短路时，NCV890200 会自动降低开关频率，以限制功率组件中的峰值电流，同时在过载消除时能自动恢复输出电压。若开关频率折返至 500kHz 后电流仍过高，稳压器将进入自动恢复突发模式，进一步降低功耗。

电流限制

由于电感电流存在纹波，降压转换器的平均输出电流低于稳压器的峰值电流设定点。对于 4.7μH 电感，输入电压变化会影响 NCV890200 能提供给负载的最大直流电流。

自举电路

DRV 引脚的内部稳压器为外部电容（CDRV）提供接地参考电压，以便快速为用于为功率开关栅极驱动器供电的外部自举电容（CBST）充电。若 DRV 引脚电压低于 DRV UVLO 阈值 (V{DRVSTP})，开关操作将被抑制，软启动电路将被重置，直到 DRV 引脚电压回升至 (V{DRVSTT}) 以上。在轻负载条件下，NCV890200 会跳过开关周期以确保输出电压稳定，但当跳过周期重复频率过低时，自举电压会崩溃，稳压器停止开关操作，因此需要最小负载才能正常工作。

输出预充电检测

在软启动之前，会监测 FB 引脚，确保 SW 电压足够低，以便为外部自举电容（CBST）充电。若 FB 引脚电压高于 (V_{SSEN})，重启将延迟，直到输出放电。

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，重置软启动电路并移除 DRV 电压；当温度恢复到安全水平时，开关操作自动恢复。

最小压降电压

在低输入电压下，最小关断时间（决定最大占空比）和导通电阻对稳压器的最小电压降起主要作用。在连续导通模式（CCM）下，输出电压等于输入电压乘以占空比。由于 NCV890200 需要足够的自举电压才能工作，其占空比不能为 100%，需要最小关断时间来定期为自举电容 (C{BST}) 充电，从而限制了最大占空比。此外，导通电阻引起的压降为 (V{SWdrop}=I{OUT} cdot R{DSon})，因此在低输入电压条件下，最大输出电压为 (V{OUT}=D{MAX} cdot V{IN(min)}-V{SWdrop})。

典型特性曲线

文档中给出了多个典型特性曲线，包括关断静态电流与结温、使能静态电流与结温、UVLO 启动阈值与结温、软启动持续时间与结温等关系曲线，这些曲线有助于工程师了解器件在不同温度下的性能表现。

设计方法

输出电容设计

最小输出电容值可根据输出电压纹波规范计算： [C{OUT min }=frac{Delta I{L}}{8 cdot Delta V{OUT } cdot F{SW}}] 其中，(Delta I{L}) 为电感纹波电流，可通过以下公式计算： [Delta I{L}=frac{V{OUT } cdotleft(1-frac{V{OUT }}{V{IN }}right)}{L cdot F{SW}}] 同时，输出电容的 ESR 不能超过 (R{ESRmax})： [R{ESR max }=frac{Delta V{OUT } cdot L cdot F{SW }}{V{OUT }left(1-frac{V{OUT }}{V{IN }}right)}] 此外，输出电容必须能够承受交流电流（或 RMS 纹波电流）： [I{OUTac }=frac{Delta I_{L}}{2 sqrt{3}}] 通常，使用两个 10μF 的陶瓷电容并联，搭配推荐的 4.7μH 电感，可获得良好的效果。

续流二极管设计

二极管的选择需考虑其最大电流和电压额定值以及热因素。二极管承受的最大反向电压为最大输入电压（考虑开关节点的振铃情况需留一定余量），最大正向电流为 NCV890200 的峰值电流限制 (I{LIM})。二极管的功耗为： [P{Dloss }=I{OUT } cdotleft(1-frac{V{OUT }}{V{IN }}right) cdot V{F}+I{DRMS } cdot R{D}] 其中，(I{DRMS}) 为二极管中的 RMS 电流，可通过以下公式计算： [I{DRMS }=sqrt{(1-D)left(I{OUT }^{2}+frac{Delta I{L}^{2}}{12}right)}] (R_{D}) 为二极管的动态电阻（从二极管数据手册的 V/I 曲线中提取）。根据封装的热阻和 PCB 上的散热情况，可估算出对应功耗下的温度上升。

输入电容设计

输入电容必须能够承受 RMS 输入纹波电流 (I{INac})： [I{INac }=frac{Delta I_{L}}{2} sqrt{frac{D}{3}}] 可将输入电容与电感结合设计输入滤波器，以滤除电源中的纹波电流，降低 EMI 传导发射。例如，使用 4.7μF 输入电容和 200nH 电感，可确保输入滤波器的截止频率低于 200kHz，有效衰减 2MHz 纹波。

误差放大器和环路传递函数

误差放大器是跨导型放大器，其输出电压控制功率开关关断时的峰值电感电流。采用电流模式控制方法，可使用简单的 II 型补偿来根据系统要求优化动态响应。从 (V{OUT}) 到 (V{COMP}) 的传递函数是反馈电压分压器和误差放大器的乘积，功率级传递函数从 (V_{COMP}) 到输出，总环路传递函数是功率级和反馈补偿网络的乘积。通过 Bode 图可显示系统的增益和相位裕度，补偿网络的设计旨在确保系统具有足够的相位裕度和带宽。

补偿网络设计

补偿网络的作用是在交叉频率处提供足够的相位裕度以稳定系统，并在低频处提供高增益以消除输出电压的稳态误差。下面通过一个示例介绍设计步骤： 假设 (V{in}=15.5V)，(V{out}=3.3V)，(R{load}=1.65Omega)，(I{out}=2A)，(L = 4.7μH)，(C{out}=20μF)（(R{esr}=7mOmega)），反馈信号的参考电压为 0.8V，选择 (R{FB1}=100Omega)，(R{FB2}=31.6Omega)。 首先，根据规格绘制功率级传递函数的 Bode 图，选择交叉频率 (F{c}=70kHz)，计算该频率下功率级的增益为 -4dB（0.634），则反馈补偿网络的增益必须为 4dB。然后确定补偿器的一个零点和一个极点的位置，零点用于在交叉频率处提供相位提升，极点用于抑制高频噪声。在本例中，零点置于交叉频率的 1/10 处，极点置于开关频率（(F{sw}=2MHz)）的 1/5 处，即 (F{z}=7000Hz)，(F{p}=400000Hz)。 通过以下公式计算 (R{COMP})、(C{COMP}) 和 (C{p})： [RCOMP =frac{F p cdot g m}{(F p-F z) cdot|G p s(F c)|} cdot frac{ Vout }{V r e f} cdot frac{sqrt{1+left(frac{F c}{F p}right)^{2}}}{sqrt{1+left(frac{F z}{F c}right)^{2}}}] [CCOMP =frac{1}{2 pi cdot Fz cdot RCOMP }] [Cp=frac{1}{2 pi cdot Fp cdot RCOMP}] 计算得到 (R{COMP}=6.6KOmega)，(C{COMP}=3.4nF)，(C{p}=48pF)。需要注意的是，IC 内部集成了一个 18pF 的电容，若需要使用更大的电容，需从计算得到的 (C_{p}) 中减去该值。

PCB 布局建议

对于 NCV890200 这样的高开关频率电源芯片，PCB 布局至关重要。以下是一些布局建议：

• 最小化功率电流环路面积：包括输入电容、NCV890200 开关、电感、输出电容通过接地返回的环路，以及续流二极管、电感、输出电容通过接地返回的环路。
• 最小化高阻抗信号长度：将反馈迹线和补偿迹线等远离功率环路，以减少干扰。

总结

NCV890200 是一款性能出色的汽车级降压开关稳压器，具有宽输入电压范围、高开关频率、多种保护功能等优点。在设计应用时，需要根据具体需求合理选择外部元件，如输出电容、续流二极管和输入电容等，并精心设计补偿网络和 PCB 布局，以确保系统的稳定性和可靠性。希望本文能为电子工程师在使用 NCV890200 进行设计时提供有益的参考。你在实际应用中是否遇到过类似电源芯片的设计挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和问题。