深入解析NCP6323/NCV6323同步降压转换器

引言

在便携式电子设备的电源设计中，高效、紧凑且性能稳定的降压转换器至关重要。onsemi的NCP6323和NCV6323同步降压转换器就是这样一款优秀的产品，它专为单节锂离子电池或三节碱性/镍镉/镍氢电池供电的便携式应用而优化。本文将深入探讨这款转换器的特点、性能以及设计要点，希望能为电子工程师们在实际设计中提供有价值的参考。

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产品概述

NCP/NCV6323是一款同步降压转换器，能够为便携式应用的不同子系统提供高达2A的可调节输出电压。其3MHz的开关频率允许使用小尺寸的电感和电容，同时采用输入电源电压前馈控制来应对宽输入电压范围，同步整流技术则提高了系统效率。该器件采用节省空间的2.0 x 2.0 x 0.75 mm WDFN8封装或WDFNW8可焊侧翼封装，非常适合对空间要求较高的应用。

产品特性

1. 宽输入电压范围：2.5V至5.5V的输入电压范围，能适应多种电源供电。
2. 可调节输出电压：支持外部调节输出电压，满足不同应用的需求。
3. 高输出电流：最大输出电流可达2A，能够为负载提供充足的功率。
4. 高频开关：3MHz的开关频率，可使用小尺寸的电感和电容，减小电路板尺寸。
5. 同步整流：提高系统效率，降低功耗。
6. 多种保护功能：包括过流保护、热关断保护、负电流保护等，增强了系统的可靠性。
7. 软启动功能：限制启动时的浪涌电流，保护电路元件。
8. 电源良好输出选项：方便监测输出电压状态。
9. 主动放电功能：在禁用时可快速放电，确保系统安全。

典型应用

该转换器适用于多种便携式设备，如手机、智能手机、个人数字助理（PDA）、便携式媒体播放器、数码相机、无线和DSL调制解调器、USB供电设备、负载点、游戏和娱乐系统等。

电气特性分析

最大额定值

符号	额定值	最小值	最大值	单位
VA - DC	AVIN, PG, FB, EN	-0.3	6.0	V
VP - TR	瞬态（3 ns - 3 MHz）	-0.3		V
ESD HBM	人体模型（HBM）		2000	V
ESD MM	机器模型（MM）		200	V
LU	闩锁电流	-100	100	mA
TJMAX	结温	-40	TSD	°C
TSTG	存储温度范围	-55	150	°C
热阻	结到顶部外壳	12		°C/W
热阻	结到电路板	30		°C/W
热阻	结到环境	62		°C/W
PD	功率耗散	1.6		W
MSL	湿度敏感度等级	1

推荐工作条件

项目	最小值	最大值	单位
输入电压	2.5		V
工作结温范围	-40	+125	°C
电感	0.67	1.0	μH
输出电容	10		μF

电气特性

在典型测试条件下（VIN = 3.6V，VOUT = 1.8V，L = 1μH，C = 10μF，TJ = 25°C），该转换器的电气特性如下：

• 输入电压范围：2.5V至5.5V
• 静态电流：典型值为5.7mA
• 输出电压范围：0.6V至VIN
• 最大输出电流：2.0A
• 开关频率：典型值为3.0MHz

工作模式与功能

PWM模式操作

在中重负载范围内，电感电流连续，器件以固定开关频率（典型值为3MHz）的PWM模式工作。在这种模式下，输出电压通过内部P - MOSFET的导通时间脉冲宽度调制进行调节，内部N - MOSFET作为同步整流器，其导通信号与P - MOSFET互补。

欠压锁定（UVLO）

输入电压VIN必须达到或超过2.5V（典型值），NCP/NCV6323才会使转换器输出开始启动序列。UVLO阈值迟滞典型值为100mV。

使能功能

该器件具有使能逻辑输入引脚EN。当该引脚为高电平（高于1.1V）时，器件进入工作模式；当为低电平（低于0.4V）时，器件进入关断模式。内部有一个时间常数为5s的滤波器，EN引脚由一个内部10nA的电流源下拉。在大多数应用中，EN信号可以独立于VIN电源序列进行编程。

电源良好输出

器件监测输出电压，并在PG引脚提供电源良好输出信号。该引脚为开漏输出引脚，当转换器输出建立时，会提供电源良好信号。当EN为高电平但输出电压未建立时，电源良好信号为低电平；当转换器输出电压在工作期间降至其调节值的90%以下时，电源良好信号被拉低，表示电源故障。在信号再次变高之前，电源良好比较器需要5%的迟滞。如果不使用该引脚，可以不连接。

软启动

软启动功能可限制转换器启用时的浪涌电流。在使能信号之后，经过至少80μs的延迟时间，输出电压开始上升。从目标电压的10%上升到90%，NCP/NCV6323B典型需要100μs，NCP/NCV6323D典型需要240μs。

主动输出放电

当EN为低电平时，输出放电操作激活。此时会启用一个典型值为500Ω的放电电阻，通过SW引脚对输出电容进行放电。

逐周期电流限制

NCP6323采用固定值的逐周期电流限制来保护器件免受过流影响。典型峰值电流限制ILMT为2.8A。如果电感电流超过电流限制阈值，P - MOSFET将逐周期关断。最大输出电流可通过公式计算： [I{OUT{MAX}} = I{LMT} - frac{V{OUT} cdot (V{IN} - V{OUT})}{2 cdot V{IN} cdot f{SW} cdot L}] 其中，VIN为输入电源电压，VOUT为输出电压，L为滤波电感的电感值，fSW为3MHz的正常开关频率。

负电流保护

NCP6323包含1A的负电流保护，有助于在需要高输出电容值的应用中保护内部NMOS。

热关断

当芯片温度超过170°C时，NCP6323的热关断保护功能会启动，以防止器件过热。当温度降至125°C以下时，通过重新施加VIN和/或EN可以结束故障状态。

应用设计要点

输出滤波器设计

输出滤波器在系统中引入了一个双极点，其频率为： [f_{LC}=frac{1}{2 cdot pi cdot sqrt{L cdot C}}] NCP6323的内部补偿网络设计针对典型的输出滤波器（由1.0μH电感和10μF陶瓷输出电容组成，双极点频率约为50kHz）进行了优化。其他可能的输出滤波器组合的双极点频率应在50kHz左右，以与典型反馈网络实现最佳配合。电感的正常选择范围为0.47μH至4.7μH，输出电容的正常选择范围为4.7μF至22μF。

电感选择

电感的电感值由给定的峰 - 峰纹波电流IL_PP（约为最大输出电流IOUTMAX的20%至50%）决定，以在瞬态响应和输出纹波之间进行权衡。对应给定电流纹波的电感值为： [L=frac{(V{IN} - V{OUT}) cdot V{OUT}}{V{IN} cdot f{SW} cdot I{L{-} P P}}] 所选电感的饱和电流额定值必须高于最大峰值电流： [I{L{MAX}} = I{OUT{MAX}} + frac{I{L{PP}}}{2}] 同时，电感还需要有足够的电流额定值以考虑温度上升。低DCR有助于提高效率和降低温度上升。

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。对于输出滤波器电感中的给定峰 - 峰纹波电流ILPP，输出电容上的输出电压纹波是三个纹波分量的总和： [V{OUT{PP}} approx V{OUT{PP}(C)} + V{OUT{PP}(ESR)} + V{OUT_{PP}(ESL)}] 其中，VOUT_PP(C)是由输出电容的等效总电容产生的纹波分量，VOUT_PP(ESR)是由输出电容的等效ESR产生的纹波分量，VOUTPP(ESL)是由输出电容的等效ESL产生的纹波分量。在PWM操作模式下，这三个纹波分量可通过以下公式获得： [V{OUT{PP}(C)} = frac{I{L{PP}}}{8 cdot C cdot f{SW}}] [V{OUT{PP}(ESR)} = I{L{PP}} cdot ESR] [V{OUT{PP}(ESL)} = frac{ESL}{ESL + L} cdot V{IN}] 峰 - 峰纹波电流为： [I{L{PP}} = frac{(V{IN} - V{OUT}) cdot V{OUT}}{V{IN} cdot f{SW} cdot L}] 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)。因此，在PWM操作模式下，可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 cdot V{OUT{PP}} cdot f_{SW}}]

输入电容选择

输入电容的选择指南之一是输入电压纹波要求。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。关于输入纹波电压VINPP的最小输入电容为： [C{IN{MIN}} = frac{I{OUT{MAX}} cdot (D - D^{2})}{V{IN{PP}} cdot f{SW}}] 其中， [D = frac{V{OUT}}{V{IN}}] 此外，输入电容需要能够吸收输入电流，其RMS值为： [I{IN{RMS}} = I{OUT{MAX}} cdot sqrt{D - D^{2}}] 输入电容还需要足够大以保护器件免受过电压尖峰的影响，通常至少需要一个4.7μF的电容。输入电容应尽可能靠近IC放置在PCB上。

反馈网络设计

输出电压通过一个从VOUT连接到FB再到AGND的外部电阻分压器进行编程，编程后的输出电压为： [V{OUT} = V{FB} cdot (1 + frac{R{1}}{R{2}})] 其中，VFB等于内部参考电压0.6V，R1是从VOUT到FB的电阻，正常取值范围为50kΩ至1MΩ，对于典型输出滤波器的应用，典型值为220kΩ；R2是从FB到AGND的电阻，用于根据公式（14）在选择R1的值后编程输出电压。为了提供前馈功能以实现最佳瞬态响应，需要在VOUT和FB之间使用一个电容Cfb。Cfb的正常取值范围为0至100pF，对于典型输出滤波器和R1 = 220kΩ的应用，典型值为15pF。

布局考虑

电气布局

良好的电气布局是确保设备正常运行、提高效率和降低噪声的关键。电气布局指南如下：

• 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，同时有助于提高效率。
• 器件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节点应采用大面积铜箔，但要紧凑，因为它也是一个噪声源。
• 最好为PGND和AGND设置单独的接地平面，并在一点连接这两个平面。将AGND引脚直接连接到裸露焊盘，然后通过过孔连接到AGND接地平面。尽量避免输入接地环路和输出接地环路重叠，以防止噪声影响输出调节。
• 为输出电压感测和反馈网络安排一条“安静”的路径，并使其被接地平面包围。

热布局

良好的热布局有助于在小封装中实现高功率耗散，同时降低温度上升。热布局指南如下：

• 裸露焊盘必须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，以实现更好的散热。
• 在IC周围和/或裸露焊盘下方设置更多的自由过孔，以连接内部接地层，降低热阻抗。
• 使用大面积铜箔，特别是在顶层，以帮助热传导和辐射。
• 不要将电感放置得离IC太近，以分散热源。

订购信息

器件	标记	封装	包装
NCV6323BMTAATBG	23	WDFN8（无铅）	3,000 / 卷带
NCV6323DMTAATBG	VA
NCV6323BMTAAWTBG	DQ	WDFNW8
NCV6323DMTAAWTBG	TM	带可焊侧翼（无铅）
NCP6323DMTAATBG	NN	WDFN8（无铅）	3,000 / 卷带

需要注意的是，部分器件已停产，请参考数据表第16页的表格。

总结

NCP6323和NCV6323同步降压转换器凭借其高效、紧凑和多功能的特点，在便携式电子设备电源设计中具有很大的优势。通过合理的设计和布局，能够充分发挥其性能，为各种应用提供稳定可靠的电源解决方案。在实际设计过程中，工程师们需要根据具体的应用需求，仔细选择外部元件，并遵循布局指南，以确保系统的最佳性能。你在使用这款转换器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。