深入解析NCP1423：电池供电手持设备的理想升压转换器

在电池供电的手持电子设备领域，高效、稳定的电源管理至关重要。今天，我们将深入探讨安森美（onsemi）的NCP1423升压转换器，它专为电池供电的手持电子产品而设计，具备诸多出色特性，能满足各类应用需求。

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一、产品概述

NCP1423是一款单片微功率高频升压开关转换器IC，适用于负载高达200 mA的电池供电手持设备。它集成了同步整流器，能提高效率并消除外部肖特基二极管。高达600 kHz的高开关频率，允许使用低剖面电感器和输出电容器。此外，它还具备低电池检测、逻辑控制关机和逐周期电流限制等增值功能，所有功能开启时，静态电源电流仅为9 μA，采用紧凑的Micro10封装。

二、产品特性亮点

2.1 高效转换

NCP1423在不同输入输出条件下展现出了卓越的效率。例如，在2.5 V输入、400 mA输出3.3 V时，效率可达92%；在1.2 V输入、70 mA输出1.8 V时，效率为87%。这种高效转换能有效延长电池续航时间，对于手持设备来说至关重要。

2.2 高开关频率

高达600 kHz的开关频率（不触及电流限制时），使得可以使用低剖面的电感器和输出电容器，有助于减小设备体积，满足手持设备对小型化的需求。

2.3 低静态电流

仅9.0 μA的低静态电流，在保证设备正常运行的同时，最大程度降低了功耗，进一步提升了电池的使用效率。

2.4 丰富的保护功能

• 低电池检测：能及时检测电池电量，当电池电压低于设定值时发出信号，提醒用户及时充电或更换电池。
• 逐周期电流限制：典型的峰值线圈电流限制为1.2 A，可有效保护设备免受过大电流的损害。
• 过压保护：防止输出电压过高，保障设备的安全稳定运行。
• 热关断：当设备温度过高时自动关断，避免因过热损坏器件。

2.5 输出电压特性

• 外部可调输出电压：通过外部反馈网络可以灵活调整输出电压，满足不同应用的需求。
• ±1.5%的输出电压精度：确保输出电压的稳定性和准确性。

三、引脚功能详解

引脚编号	符号	描述
1	EN	低电池检测器输入和使能引脚。拉低至0.5 V以下，设备将进入关机模式。
2	REF	1.195 V参考电压输出，未加载时需用0.1 μF电容旁路，加载时用1.0 μF电容旁路，在VOUT = 3.3 V时可输出高达2.5 mA电流。
3	FB	输出电压反馈输入。
4	GND	接地。
5	OUT	电源输出，为IC提供自举电源。
6	BAT	电池供电输入引脚，连接内部振铃抑制器。
7	LX	N沟道和P沟道功率MOSFET漏极。
8	ADEN	自动放电输入。
9	LBI	低电池检测器输入。
10	LBO	开漏低电池检测器输出，当VLBI < 500 mV时输出低电平。

四、工作原理剖析

4.1 PFM调节方案

从详细框图可知，输出电压经分压后反馈到FB引脚，与内部参考电压在PFM比较器中进行比较。比较器下降沿触发开关周期，主开关M1导通。达到最大导通时间（典型1.4 μs）或电流限制时，M1关断，同步开关M2导通。M1关断时间不小于最小关断时间（典型0.20 μs），确保能量从电感器完全转移到输出电容器。在连续导通模式（CCM）和不连续导通模式（DCM）下，开关的控制方式有所不同，以实现高效稳定的电压调节。

4.2 同步整流

同步整流器用于替代肖特基二极管，减少了肖特基二极管正向电压带来的传导损耗。但在开关切换过程中，为避免电流分流导致效率降低和器件损坏，需要引入死区时间。在DCM模式下，ZLC比较器通过固定偏移电压控制M2关断，防止反向电流损坏电池，同时要合理确定偏移电压以优化性能。采用同步整流方案后，该器件效率可达90%。

4.3 逐周期电流限制

通过SENSEFET采样线圈电流，经采样电阻产生感应电压。阈值检测器检测感应电压是否高于预设水平，若高于则通知控制逻辑关断M1，M1需在最小关断时间后下一个周期才能再次导通。通过合理选择SENSEFET和采样电阻，可将峰值线圈电流限制设定为1.2 A。

4.4 电压参考

REF引脚电压典型值为1.2 V，在VOUT = 3.3 V时可输出高达2.5 mA电流，负载调整率为±2.0%。REF未加载时需200 nF旁路电容，加载时需1.0 μF电容。

4.5 真关断功能

由EN引脚控制，内部电路可隔离开关M2体二极管到负载的电流，消除关机模式下电池到负载的泄漏电流，显著降低关机时的电池电流消耗。关机时，开关M1和M2均关断，控制器内部参考电压禁用，典型电流消耗仅600 nA；EN引脚电压高于0.5 V时，IC重新启用，正常工作时内部电路从OUT引脚典型消耗9 μA电流。

4.6 低电池检测

通过具有15 mV迟滞的比较器实现低电池检测功能。当LBI引脚电压低于0.5 V时，比较器输出导通50 Ω低侧开关，拉低LBO引脚电压；当LBI引脚电压高于0.5 V + 15 mV时，比较器输出关断低侧开关，LBO引脚变为高阻抗。

4.7 自动放电

自动放电功能用于确保断电后输出电压状态，与数字信号通信。启用该功能时，ADEN引脚置高，设备关机后输出电容器通过100 Ω集成开关放电，自动放电后VOUT上的残余电压小于0.4 V。

五、应用设计要点

5.1 输出电压设置

输出电压由外部反馈网络R1和R2决定，公式为(VOUT = 0.5 V × (1 + frac{R1}{R2}))，通过合理选择R1和R2的值，可以得到所需的输出电压。

5.2 低电池检测电平设置

低电池检测电压由外部分压网络R3和R4决定，公式为(VLBI = 0.5 V × (1 + frac{R3}{R4}))，根据实际需求调整R3和R4的值，可设置合适的低电池检测电压。

5.3 电感器选择

在(V{IN}=1.3 V)、(V{OUT }=3.3 V)、输出电流高达200 mA的条件下，使用5.6 μH电感器可获得最佳性能。对于其他输入输出要求，可根据最终应用规格选择3 μH至10 μH的电感器。选择电感器时需在输出电流能力、电感器饱和极限和可容忍的输出电压纹波之间进行权衡，同时应选择直流电阻最低的电感器以提高效率。

5.4 电容器选择

在开关模式升压转换器应用中，输入和输出端会出现脉冲电压/电流波形，电容器的等效串联电阻（ESR）会影响输出纹波电压。一般应选择低ESR的电容器，以降低输出纹波电压。

5.5 PCB布局建议

• 接地：采用星型接地连接，将输出功率返回地、输入功率返回地和设备功率地连接到一点。高电流路径应尽可能短且足够粗，以减少电压降。反馈信号路径应与主电流路径分离，直接在输出电容器阳极处采样。
• 元件放置：功率元件（如输入电容器、电感器和输出电容器）应尽可能靠近放置，连接走线应短、直且粗。高电流流动和开关路径应远离反馈（FB）端子，以避免噪声注入反馈路径。

六、设计步骤示例

下面以一个单电池供电应用为例，介绍NCP1423的设计步骤：

6.1 设计参数

• (V_{IN}=1.1 V)至1.5 V，典型值1.3 V
• (V_{OUT }=3.3 V)
• (I_{OUT}=150 mA)（最大200 mA）
• (V_{LB}=1.0 V)
• (V{OUT - RIPPLE }=30 mV{p - p})（(I_{OUT }=150 mA)时）

6.2 计算反馈网络

选择(R2 = 100 kΩ)，则(R1 = R2(frac{V{OUT }}{V{FB }} - 1)=100 kΩ(frac{3.3 V}{0.5 V} - 1)=560 kΩ)

6.3 计算低电池检测分压

选择(R4 = 100 kΩ)，则(R3 = R4(frac{V{LB0}}{V{LB1}} - 1)=100 kΩ(frac{1.0 V}{0.5 V} - 1)=100 kΩ)

6.4 确定稳态占空比

(D = 1 - frac{V{IN}}{V{OUT }} = 1 - frac{1.3 V}{3.3 V}=0.606)

6.5 确定平均电感电流

(ILAVG = frac{IOUT}{1 - D}=frac{150 mA}{1 - 0.606}=381 mA)

6.6 确定峰值电感纹波电流并计算电感值

假设(I{RIPPLE - P})为(ILAVG)的40%，效率(eta = 85%)，则(I{RIPPLE - P}=0.40 × 381 mA / eta = 179 mA)，(L = frac{V{IN} × t{ON}}{2I_{RIPPLE - P}}=frac{1.3 V × 1.4 μS}{2(179 mA)}=5.0 μH)，选择标准值5.6 μH进行初始试验。

6.7 确定输出电压纹波并计算输出电容值

(COUT >frac{IOUT × t{ON}}{V{OUT - RIPPLE} - IOUT × ESR{COUT}})，其中(t{ON}=1.4 μS)，(ESR_{COUT}=0.1 Ω)，计算得出至少需要14 μF电容，实际选择22 μF电容。

6.8 前馈电容（C1）选择

为避免开关节点出现双脉冲或群脉冲，可能需要添加前馈电容。对于NCP1423，开关频率越低，前馈电容值应越大。初始试验值可使用公式(C{FF}=frac{1}{2 × π × frac{F{SW}}{20} × R_{1}})，实际值可能需要微调。

七、总结

NCP1423凭借其高效、低功耗、丰富的保护功能和灵活的设计特性，成为电池供电手持设备升压转换的理想选择。在设计过程中，合理选择元件参数和优化PCB布局是确保其性能的关键。希望通过本文的介绍，能帮助电子工程师更好地理解和应用NCP1423，为电池供电手持设备的设计带来更多的可能性。大家在实际应用中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。