深入解析NCV6357：汽车应用的高效降压转换器

在汽车电子领域，电源管理芯片的性能直接影响着整个系统的稳定性和效率。今天我们要探讨的是安森美（onsemi）推出的NCV6357同步AOT（Adaptive On−time）降压转换器，它专为汽车应用的不同子系统供电而优化，是一款值得深入研究的芯片。

文件下载：NCV6357-D.PDF

一、产品概述

NCV6357是一款适用于汽车应用后调节系统的同步AOT降压转换器，输入电压最高可达5V。它能够提供高达5.0A的输出电流，输出电压可在0.6V至3.3V之间进行编程设置。高达2.4MHz的开关频率允许使用小型组件，同步整流和自动PFM Pseudo−PWM（PPWM）转换提高了整体解决方案的效率。该芯片采用3.0 × 4.0 mm DFN−14封装，具有低外形的特点。

主要特性

1. 宽输入电压范围：输入电压范围为2.5V至5.5V，适用于电池、3.3V和5.0V轨供电的应用。
2. 强大的功率能力：在不同环境温度下，功率能力有所不同。在 (T{A}=105^{circ} C) 时可达3.0A，在 (T{A}=85^{circ} C) 时可达5.0A。
3. 可编程输出电压：输出电压可在0.6V至3.3V之间以12.5mV的步长进行编程。
4. 高频开关：采用片上振荡器，开关频率高达2.4MHz，可使用330nH电感和至少22μF的电容，优化了占地面积和解决方案厚度。
5. 高效工作模式：具备PFM/PPWM操作模式，可实现最佳效率，静态电流低至60μA。
6. 丰富的控制接口：支持I2C控制接口，具有中断和动态电压缩放功能，还配备了使能/电压选择引脚、电源良好/中断信号。
7. 完善的保护机制：具备热保护和温度管理功能，还有瞬态负载辅助功能，可与其他轨共享同一轨。
8. 汽车级标准：符合AEC−Q100标准，具备PPAP能力。

二、引脚连接与功能

引脚连接

NCV6357采用14引脚、0.50mm间距的DFN封装，其引脚连接如下：	引脚	名称	类型	描述
4	AVIN	模拟输入	模拟电源，可直接连接到VIN平面，并使用一个4.7μF的陶瓷电容。必须与PVIN相等。
15	AGND	模拟接地	模拟和数字模块的接地，必须连接到系统接地。
14	EN	数字输入	使能控制，高电平有效，该引脚有内部下拉电阻。
13	VSEL	数字输入	输出电压/模式选择，电平决定使用两种可编程配置中的哪一种，该引脚有内部下拉电阻，若不使用可悬空。
3	PG	数字输出	电源良好指示，开漏输出，若不使用必须连接到接地平面。
1	SCL	数字输入	I2C接口时钟线，有内部下拉电阻，若不使用可悬空。
12	SDA	数字输入/输出	I2C接口双向数据线，有内部下拉电阻，若不使用可悬空。
8,9	-	-	连接10μF陶瓷电容和0.33μH电感，需提供高质量接地以防止噪声尖峰。
2	VOUT	模拟输入	输出电压。

引脚功能说明

1. 电源引脚：AVIN和PVIN为芯片提供电源，AGND为接地引脚，确保芯片正常工作。
2. 控制引脚：EN引脚用于控制芯片的启动和关闭，VSEL引脚用于选择输出电压和工作模式。
3. 通信引脚：SCL和SDA是I2C接口的时钟线和数据线，用于与外部设备进行通信。
4. 状态指示引脚：PG引脚用于指示输出电压是否正常，当输出电压达到预期水平的93%时，该引脚变为高电平。

三、工作模式与原理

DC - DC转换器操作

NCV6357集成了高端和低端（同步）开关，无需外部晶体管或二极管。反馈和补偿网络也完全集成，采用AOT（Adaptive On−Time）控制方案，可在PFM和PPWM（Pseudo−PWM）两种模式下工作。

1. PPWM（Pseudo Pulse Width Modulation）模式：在中高负载条件下，芯片工作在PPWM模式，电感电流处于CCM（Continuous Conduction Mode），AOT保证了伪固定频率，精度为10%。内部N−MOSFET开关作为同步整流器，与P−MOSFET开关互补驱动。
2. PFM（Pulse Frequency Modulation）模式：在低负载时，为了节省功率和提高效率，芯片工作在PFM模式，电感电流进入DCM（Discontinuous Conduction Mode）。上FET导通时间保持恒定，开关频率与负载电流成正比。当负载增加，电感电流再次变为连续时，控制器自动切换回PPWM模式。
3. 强制PPWM模式：通过I2C编程（COMMAND寄存器的PPWMVSEL0 / PPWMVSEL1位），可以将芯片设置为仅使用PPWM模式，禁用向PFM模式的转换。

输出电压设置

输出电压由集成的电阻桥内部设置，无需额外组件。通过写入PROGVSEL0寄存器的VoutVSEL0[7..0]位或PROGVSEL1寄存器的VoutVSEL1[7..0]位，可以改变输出电压。输出电压可以在0.6V至3.3V之间以12.5mV的步长进行编程。VSEL引脚和VSELGT位将决定PROGVSEL0和PROGVSEL1寄存器中哪个用于设置输出电压。

保护机制

1. 电感峰值电流限制/短路保护：在正常运行时，峰值电流限制通过检查P−MOSFET开关中的电流来监测和限制电感电流。当电流超过Ipeak阈值时，P−MOSFET立即断开。为了保护芯片免受过度负载或短路的影响，会对连续Ipeak的次数进行计数。当计数器达到16时，DCDC将断电约2ms，并标记ISHORT中断。根据LIMCONF寄存器中的REARM位，芯片可以自动重启或需要EN引脚触发重启。
2. 欠压锁定（UVLO）：当电压低于欠压锁定（UVLO）水平时，NCV6357核心不工作。在UVLO阈值以下，所有内部电路（模拟和数字）都处于复位状态。为了避免不稳定的开/关行为，实现了最大200mV的滞后。当VBAT电压恢复或上升到2.7V时，芯片保证重启。
3. 热管理
   • 热关断（TSD）：为了防止芯片因降压转换器输出级的功率水平过高而损坏，实现了热保护电路和相关中断。当核心处于活动模式（输出电压开启）时，热保护电路才会激活。在热关断期间，输出电压关闭。根据LIMCONF寄存器中的REARM位，芯片从热关断返回时可以有两种不同的重启配置。热关断阈值设置为150°C（典型值），并实现了30°C的滞后，以避免不稳定的开/关行为。
   • 热警告：除了TSD，芯片还包括热警告和热预警告传感器及中断。这些传感器可以通知处理器芯片接近热关断状态，软件可以采取预防措施来降低芯片温度。警告阈值硬件设置为135°C（典型值），预警告阈值默认设置为105°C，但可以通过设置LIMCONF寄存器中的TPWTH[1..0]位进行更改。
4. 主动输出放电：为了确保禁用电源时电源轨中没有残留电压，芯片提供了主动放电路径，可以将输出电压接地。通过PGOOD寄存器中的DISCHG位，可以轻松禁用或启用该功能。默认情况下，放电路径在电池插入后的前100ms内启用。

四、应用信息

输出滤波器考虑

输出滤波器在系统中引入了一个双极点，其频率为 (f_{L C}=frac{1}{2 × pi × sqrt{L × C}}) 。NCV6357内部补偿网络针对典型的输出滤波器进行了优化，该滤波器包括一个330nH电感和47μF电容。

电压传感考虑

为了调节电源轨，NCV6357必须感测其输出电压。芯片支持两种传感方法：

1. 正常传感：FB引脚应连接到输出电容的正极端子（要调节的电压）。
2. 远程传感：电源轨的传感应靠近由NCV6357供电的系统。由于PCB线路阻抗电压降在调节环路内，因此系统的电压更准确。在这种情况下，建议将FB引脚连接到系统去耦电容的正极端子。

组件选择

1. 电感选择：电感的电感值应选择为使峰峰值纹波电流 (IL PP) 约为最大输出电流 (IOUTMAX) 的20%至50%，以在瞬态响应和输出纹波之间实现最佳平衡。电感值可根据公式 (L=frac{(V{IN }-V{OUT }) × V{OUT }}{V{IN } × f{SW } × I{L{-} P P}}) 计算。所选电感的饱和电流额定值必须高于最大峰值电流，最大峰值电流计算公式为 (L{-MAX }=I{OUTMAX }+frac{I{L_PP }}{2}) 。此外，电感还应具有足够高的电流额定值，以避免自热，因此优选低DCR的电感。
2. 输出电容选择：输出电容的选择取决于输出电压纹波和负载瞬态响应要求。为了实现高瞬态负载性能，必须使用高输出电容值。对于给定的输出滤波器电感中的峰峰值纹波电流 (I{L{-} PP}) ，输出电容上的输出电压纹波是三个分量的总和： (V_{OUTPP }=V{OUTPP (C) }+V{OUTPP(ESR) }+V{OUT_PP(ESL) }) 。在使用全陶瓷输出电容的应用中，输出纹波的主要分量是 (Vout_PP(C)) 。在PPWM操作模式下，可以根据给定的输出纹波要求 (Voutpp) 计算最小输出电容： (C{MIN }=frac{I{L{-} P P}}{8 × V{OUT PP } × f{SW }}) 。
3. 输入电容选择：输入电容的选择要求之一是输入电压纹波。为了最小化输入电压纹波并在输入电源轨上获得更好的去耦效果，建议使用陶瓷电容，因为其ESR和ESL较低。相对于输入纹波电压 (V_{INPP }) 的最小输入电容为 (C{INMIN }=frac{I{OUTMAX } times(D-D^{2})}{V{INPP } × f{SW }}) ，其中 (D=frac{V{OUT }}{V{IN }}) 。此外，输入电容必须能够吸收输入电流，其RMS值为 (I_{INRMS }=I{OUT_MAX } × sqrt{D-D^{2}}) 。输入电容还必须足以保护芯片免受过电压尖峰的影响，需要4.7μF或更大的电容。输入电容应尽可能靠近芯片放置，所有PGND引脚必须连接到输入电容的接地端，然后连接到接地平面；所有PVIN引脚必须连接到输入电容的Vbat端，然后连接到Vbat平面。

功率能力

NCV6357的功率能力取决于结温（ (T{J}) ）和环境温度（ (T{A}) ）之间的温差、结到环境的热阻（ (R{theta JA}) ）以及片上功率耗散（ (P{IC}) ）。片上功率耗散 (PIC) 可以通过 (P{I C}=P{T}-P{L}) 计算，其中总功率损耗 (P{T}=V{out } × I{OUT } times(frac{1}{eta}-1)) ， (P{L}) 为简化的电感功率损耗 (P{L}=I{L O A D}^{2} ×D C R) 。结温 (T{J}) 可以通过 (T J=R{H J A} ×P{I C}+T{A}) 计算，需要注意的是 (T{J}) 应保持在推荐的工作条件范围内。 (R{theta J A}) 是PCB布局（层数、铜面积和PCB尺寸）的函数，例如，安装在EVB上的NCV6357的 (R{theta J A}) 约为30°C/W。

布局考虑

1. 电气规则
   • 使用宽而短的走线用于电源路径（如PVIN、VOUT、SW和PGND），以减少寄生电感和高频环路面积，提高效率。
   • 芯片应通过输入电容进行良好的去耦，输入环路面积应尽可能小，以减少寄生电感、输入电压尖峰和噪声发射。
   • SW走线应宽而短，以减少损耗和噪声辐射。
   • 建议为PGND和AGND设置单独的接地平面，并在一点连接两个平面，避免输入接地环路和输出接地环路重叠，以防止噪声对输出调节的影响。
   • 为输出电压感测安排一条“安静”的路径，并使其被接地平面包围。
2. 热规则
   • 优选具有实心接地平面的四层或更多层PCB板，以实现更好的散热。
   • 在芯片周围使用多个过孔连接内部接地层，以降低热阻抗。
   • 使用大而厚的铜面积，特别是在顶层，以实现良好的热传导和辐射。
   • 对于高电流路径（PVIN、PGND、SW）使用两层或更多层，以将电流分流到不同路径，限制PCB铜的自热。
3. 组件放置
   • 输入电容应尽可能靠近芯片的PVIN引脚，直接连接到Cin输入电容，然后连接到Vin平面。在顶层（绿色）和顶层下方的层（黄色）使用局部小平面，并使用激光过孔。
   • AVIN在电容之后连接到Vin平面。
   • AGND直接连接到GND平面。
   • PGND直接连接到Cin输入电容，然后连接到GND平面，在顶层（绿色）和顶层下方的层（黄色）使用局部小平面，并使用激光过孔。
   • SW连接到Lout电感，在顶层（绿色）和顶层下方的层（黄色）使用局部小平面，并使用激光过孔。

五、总结

NCV6357作为一款专为汽车应用设计的降压转换器，具有宽输入电压范围、强大的功率能力、可编程输出电压、高效工作模式和完善的保护机制等优点。在实际应用中，合理选择组件和优化布局可以充分发挥其性能，为汽车电子系统提供稳定、高效的电源解决方案。电子工程师在设计过程中，需要根据具体的应用需求，仔细考虑各个参数和特性，确保系统的可靠性和稳定性。你在使用NCV6357的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。