電子工程師必看：NCP158x系列低電壓同步降壓控制器深度解析

最近在研究電源管理相關(guān)的內(nèi)容時(shí)，發(fā)現(xiàn)ON Semiconductor（現(xiàn)onsemi）推出的NCP158x系列低電壓同步降壓控制器十分實(shí)用。今天就結(jié)合官方文檔，詳細(xì)解析一下這個(gè)系列的控制器。

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一、NCP158x系列概述

NCP158x系列包含NCP1582、NCP1582A和NCP1583這幾款控制器，它們是低成本的PWM控制器，可從5V或12V電源供電運(yùn)行，能產(chǎn)生低至0.8V的輸出電壓。8引腳的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高度集成，有助于降低電源的尺寸和成本。

主要特性

1. 輸入電壓范圍廣：4.5V到13.2V，能適應(yīng)多種電源環(huán)境。
2. 內(nèi)部振蕩器：NCP1582和NCP1582A為350kHz，NCP1583為300kHz。
3. 電壓模式PWM控制：確保輸出電壓的穩(wěn)定調(diào)節(jié)。
4. 可調(diào)輸出電壓：可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行靈活調(diào)整。
5. 可編程軟啟動(dòng)功能：減少浪涌電流和輸出電壓的過沖。
6. 保護(hù)功能完善：具備短路保護(hù)（SCP）和欠壓鎖定（UVLO），提高系統(tǒng)的可靠性。
7. 內(nèi)部0.7A柵極驅(qū)動(dòng)器：能夠驅(qū)動(dòng)外部N溝道MOSFET，滿足不同功率轉(zhuǎn)換需求。
8. 最大占空比80%：可實(shí)現(xiàn)高效的電源轉(zhuǎn)換。

應(yīng)用領(lǐng)域

這個(gè)系列適用于多種場(chǎng)景，如顯卡、臺(tái)式電腦、服務(wù)器/網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、DSP和FPGA電源以及DC - DC調(diào)節(jié)器模塊等。大家在實(shí)際項(xiàng)目中碰到類似的供電需求時(shí)，不妨考慮一下NCP158x系列。

二、引腳功能與參數(shù)

對(duì)于電子工程師來說，理解器件的引腳功能和參數(shù)至關(guān)重要。下面我們就來看看NCP158x系列的引腳功能和相關(guān)參數(shù)。

引腳功能描述

絕對(duì)最大額定值和最大額定值

了解這些額定值可以避免因超過極限參數(shù)而損壞器件。

• 絕對(duì)最大額定值：	Pin Name	Symbol	V MAX	V MIN
  Main Supply Voltage Input	V CC	15 V	?0.3 V
  Bootstrap Supply Voltage Input	BST	30 V wrt/GND 15 V wrt/PHASE	?0.3 V
  Switching Node (Bootstrap Supply Return)	PHASE	24 V	?0.7 V ?5 V for < 50 ns
  High?Side Driver Output (Top Gate)	TG	30 V wrt/GND 15 V wrt/PHASE	?0.3 V wrt/PHASE
  Low?Side Driver Output (Bottom Gate)	BG	15 V	?0.3 V ?2 V for < 200 ns
  Feedback	FB	5.5 V	?0.3 V
  COMP/DISABLE	COMP/DIS	5.5 V	?0.3 V

• 最大額定值：包括熱阻、工作溫度范圍等參數(shù)，如熱阻方面，結(jié)到環(huán)境為165°C/W，結(jié)到外殼為45°C/W；工作結(jié)溫范圍為 - 40°C到150°C，工作環(huán)境溫度范圍為 - 40°C到85°C等。

電氣特性

在特定的溫度和電壓條件下，NCP158x系列具有一系列電氣特性，如輸入電壓范圍、振蕩器頻率、誤差放大器參數(shù)、軟啟動(dòng)電流等。這些參數(shù)是我們進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和性能評(píng)估的關(guān)鍵依據(jù)。例如，振蕩器頻率方面，NCP1582和NCP1582A在特定溫度范圍內(nèi)典型值為350kHz，NCP1583典型值為300kHz。

三、詳細(xì)工作原理

占空比和最大脈沖寬度限制

在穩(wěn)態(tài)直流運(yùn)行時(shí)，占空比會(huì)穩(wěn)定在一個(gè)由輸入輸出電壓比決定的工作點(diǎn)上，NCP158x系列最大占空比可達(dá)80%。內(nèi)置的關(guān)斷時(shí)間可以確保每個(gè)周期內(nèi)自舉電源都能充電。該系列還能實(shí)現(xiàn)100ns的最小脈沖寬度，比如在350kHz的頻率下可實(shí)現(xiàn)12V到0.8V的轉(zhuǎn)換。這在實(shí)際設(shè)計(jì)中，對(duì)于實(shí)現(xiàn)高效的電源轉(zhuǎn)換有著重要意義。

輸入電壓范圍

(V_{CC})和BST的輸入電壓范圍分別相對(duì)于GND和PHASE為4.5V到13.2V，不過BST相對(duì)于GND可承受高達(dá)26.5V的電壓。這使得它在不同的電源輸入情況下都能穩(wěn)定工作。

外部使能/禁用

當(dāng)Comp引腳電壓降至或被外部拉低至400mV閾值以下時(shí)，會(huì)禁用PWM邏輯和柵極驅(qū)動(dòng)輸出。在禁用模式下，誤差放大器的輸出源電流會(huì)降低并限制為10μA的軟啟動(dòng)電流。這一功能為系統(tǒng)的控制提供了更多的靈活性，大家在設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)實(shí)際需求合理利用。

正常關(guān)機(jī)行為

當(dāng)輸入電源達(dá)到UVLO閾值時(shí)，芯片會(huì)停止開關(guān)操作，進(jìn)入正常關(guān)機(jī)狀態(tài)。此時(shí)，開關(guān)停止，內(nèi)部軟啟動(dòng)電容放電，所有柵極引腳變?yōu)榈碗娖?，開關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入高阻抗?fàn)顟B(tài)，輸出電容通過負(fù)載放電，輸出電壓無振鈴現(xiàn)象。這保證了系統(tǒng)在電壓過低時(shí)能夠安全穩(wěn)定地關(guān)機(jī)。

外部軟啟動(dòng)

NCP158x系列具有外部軟啟動(dòng)功能，可降低浪涌電流和輸出電壓過沖。它通過內(nèi)部10μA（典型值）的電流源對(duì)跨導(dǎo)放大器的外部積分電容充電來實(shí)現(xiàn)。在軟啟動(dòng)過程中，當(dāng)Comp引腳電壓上升到400mV時(shí)，PWM邏輯和柵極驅(qū)動(dòng)被啟用；當(dāng)反饋電壓超過800mV時(shí)，誤差放大器將切換到更高的調(diào)節(jié)模式輸出電流。若在軟啟動(dòng)期間發(fā)生過流情況，過流邏輯將覆蓋軟啟動(dòng)序列，關(guān)閉PWM邏輯和高低側(cè)柵極。在實(shí)際應(yīng)用中，軟啟動(dòng)功能可以保護(hù)電路元件，延長(zhǎng)其使用壽命，大家一定要重視。

UVLO（欠壓鎖定）

為了確保當(dāng)(V{CC})過低而無法支持內(nèi)部電源軌和為轉(zhuǎn)換器供電時(shí)，芯片不會(huì)出現(xiàn)意外行為，NCP158x系列設(shè)置了UVLO。當(dāng)(V{CC})達(dá)到4.2V時(shí)，芯片啟動(dòng)；當(dāng)(V_{CC})降至3.7V以下時(shí)，芯片關(guān)閉。這樣就能保證在從5.0V輸入電壓轉(zhuǎn)換時(shí)正常工作。

電流限制保護(hù)

在短路或過載情況下，低側(cè)FET會(huì)傳導(dǎo)大電流，此時(shí)控制器會(huì)關(guān)閉調(diào)節(jié)器以進(jìn)行過流保護(hù)。通過比較BG開始變低時(shí)Phase節(jié)點(diǎn)的電壓與內(nèi)部產(chǎn)生的固定電壓來實(shí)現(xiàn)低側(cè)(R_{DSon})檢測(cè)。如果Phase電壓低于SCP跳閘電壓，則觸發(fā)過流條件并啟動(dòng)計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器完成后，PWM邏輯和高低側(cè)FET會(huì)關(guān)閉?？刂破鲿?huì)通過軟啟動(dòng)周期重試，看短路或過載條件是否已消除。低側(cè)FET的最小導(dǎo)通時(shí)間設(shè)置為500ns，跳閘閾值有 - 95mV到 + 45mV的工藝和溫度變化。這一保護(hù)機(jī)制大大提高了系統(tǒng)的可靠性，大家在設(shè)計(jì)電路時(shí)可以更加放心。

驅(qū)動(dòng)器

NCP158x系列包含0.7A柵極驅(qū)動(dòng)器，用于切換外部N溝道MOSFET，可滿足高功率和低功率轉(zhuǎn)換需求。柵極驅(qū)動(dòng)器還包括自適應(yīng)非重疊電路，通過最小化體二極管導(dǎo)通時(shí)間來提高效率，減少功耗。不過，要實(shí)現(xiàn)板載驅(qū)動(dòng)器的全部?jī)?yōu)勢(shì)，需要仔細(xì)選擇和布局外部元件，如(V_{CC})和GND之間、BST和SWN之間的電容要盡可能靠近芯片，TG和BG連接的電流路徑要優(yōu)化，同時(shí)要設(shè)置接地平面以減少柵極驅(qū)動(dòng)電路的環(huán)路面積和電感。

四、應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

輸入電容選擇

輸入電容要能承受上MOSFET導(dǎo)通期間產(chǎn)生的紋波電流，因此需要低ESR以最小化損耗。紋波電流的RMS值可通過公式(I{in RMS} = I{OUT} sqrt{D times(1 - D)})計(jì)算，其中D為占空比，(I{in RMS})為輸入RMS電流，(I{OUT})為負(fù)載電流。輸入電容的損耗可通過(P{CIN} = ESR{CIN} × I_{in RMS }^{2})計(jì)算。由于輸入電容上有較大的(dI / dt)，應(yīng)使用電解電容或陶瓷電容，若使用鉭電容則必須進(jìn)行浪涌保護(hù)，否則可能導(dǎo)致電容故障。大家在選擇輸入電容時(shí)，一定要根據(jù)實(shí)際的電路參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和選擇。

輸入啟動(dòng)電流計(jì)算

輸入啟動(dòng)電流可通過公式(I{inrush} =frac{C{OUT} × V{OUT }}{t{SS}})計(jì)算，其中(I{inrush})為啟動(dòng)期間的輸入電流，(C{OUT})為總輸出電容，(V{OUT})為期望輸出電壓，(t{SS})為軟啟動(dòng)間隔。如果啟動(dòng)電流高于最大負(fù)載時(shí)的穩(wěn)態(tài)輸入電流，使用輸入保險(xiǎn)絲時(shí)應(yīng)相應(yīng)選擇合適的額定值。

軟啟動(dòng)時(shí)間計(jì)算

軟啟動(dòng)時(shí)間可通過公式(t{SS} =frac{(C{P}+C{C}) * Delta V}{I{SS}})計(jì)算，其中(C{C})為補(bǔ)償和軟啟動(dòng)電容，(C{P})為形成第二個(gè)極點(diǎn)的附加電容，(I_{SS})為軟啟動(dòng)電流，(Delta V)為Comp電壓從零到達(dá)到調(diào)節(jié)值的變化量。這個(gè)計(jì)算考慮了Comp電壓上升到輸出電壓有效之間的延遲。若要計(jì)算輸出電壓上升到達(dá)到調(diào)節(jié)值的時(shí)間，(Delta V)為Comp電壓達(dá)到調(diào)節(jié)值與1.1V之間的差值。

輸出電容選擇

輸出電容是電源快速響應(yīng)的基本元件，在負(fù)載瞬變的最初幾微秒內(nèi)為負(fù)載提供電流。負(fù)載瞬變時(shí)，輸出電壓的初始下降是由于電容內(nèi)部電流變化和ESR引起的，電壓偏差(Delta V{OUT - ESR} =Delta I{OUT } × ESR{COUT})，其中(Delta V{OUT - ESR})為(V{OUT })因ESR產(chǎn)生的電壓偏差，(ESR{COUT})為輸出電容的總有效串聯(lián)電阻。同時(shí)，還需要一個(gè)最小電容值來維持負(fù)載瞬變期間的電流而不使其放電，放電引起的電壓降(Delta V{OUT - DISCHARGE} =frac{Delta I{OUT }^{2} × L{OUT }}{2 × C{OUT} times(V{IN} × D - V{OUT })})，其中(Delta V{OUT - DISCHARGE})為(V{OUT })因放電產(chǎn)生的電壓偏差，(L{OUT})為輸出電感值，(V{IN})為輸入電壓。需要注意的是，(Delta V{OUT - DISCHARGE})和(Delta V{OUT - ESR})相位不同，兩者中較大的值將決定輸出電壓的最大偏差（忽略ESL的影響）。

電感選擇

輸出電感的選擇需要考慮機(jī)械和電氣兩方面因素。從機(jī)械角度看，較小的電感值通常對(duì)應(yīng)較小的物理尺寸，在空間受限的應(yīng)用中，選擇最小電感值尤為重要。從電氣角度看，降壓調(diào)節(jié)器輸出電感的最大電流斜率為(SlewRate{LOUT} =frac{V{IN } - V{OUT }}{ L{OUT }})，較大的電感值會(huì)限制調(diào)節(jié)器在輸出負(fù)載瞬變時(shí)通過輸出電感的電流斜率，因此需要更大的輸出電容來維持輸出電壓的穩(wěn)定；而較小的電感值會(huì)增加調(diào)節(jié)器的最大可實(shí)現(xiàn)電流斜率，減少所需的電容值，但會(huì)導(dǎo)致紋波電流增大。輸出電感的峰 - 峰紋波電流為(I{pk - pkLOUT} =frac{V{OUT }(1 - D)}{ L_{OUT } × 350 kHz})，這體現(xiàn)了動(dòng)態(tài)響應(yīng)和紋波電流之間的權(quán)衡。大家在選擇電感時(shí)，要根據(jù)實(shí)際的電路需求和性能要求進(jìn)行綜合考慮。

反饋和補(bǔ)償

NCP158x系列可通過外部電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)將DC - DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓從0.8V調(diào)整到5.0V?？刂破鲿?huì)嘗試在反饋引腳維持0.8V的電壓，因此通過在反饋引腳和(V{OUT })之間連接電阻分壓器電路，控制器會(huì)根據(jù)電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)按比例調(diào)節(jié)輸出電壓。電阻R1的選擇需要在效率和輸出電壓精度之間進(jìn)行權(quán)衡，較高的R1值會(huì)減少反饋網(wǎng)絡(luò)的電流消耗，但會(huì)因誤差放大器的偏置電流影響輸出電壓精度，偏置電流引起的輸出電壓誤差可通過公式(Error %=frac{0.1 mu A × R{1}}{V{REF}} × 100 %)估算。確定R1后，可計(jì)算出R2。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)由內(nèi)部誤差放大器和阻抗網(wǎng)絡(luò)(Z{IN}(R{1}, R{2}))、外部(Z{FB}(R{c}, C{c}))和(C{p})組成，其作用是提供一個(gè)具有最高0dB交叉頻率（但始終低于FSW/8）的閉環(huán)傳遞函數(shù)，以實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，并在直流條件下具有最高增益，以最小化負(fù)載調(diào)節(jié)。穩(wěn)定的控制環(huán)要求增益交叉斜率為 - 20dB/decade，相位裕度大于45°，在確定相位裕度時(shí)要考慮最壞情況下的元件變化。環(huán)路穩(wěn)定性由EOTA周圍的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、輸出電容、輸出電感和輸出分壓器決定。

熱考慮

NCP158x系列的功率損耗隨所使用的MOSFET、(V{CC})和升壓電壓（(V{BST})）而變化，平均MOSFET柵極電流通常是控制IC功率損耗的主要因素。IC的功率損耗可通過公式(P{IC}=(I{CC} cdot V{CC}) + P{TG} + P{BG})計(jì)算，其中(P{IC})為控制IC功率損耗，(I{CC})為IC測(cè)量的電源電流，(V{CC})為IC電源電壓，(P{TG})為頂部柵極驅(qū)動(dòng)器損耗，(P{BG})為底部柵極驅(qū)動(dòng)器損耗。頂部MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器損耗(P{TG} = Q{TG} cdot f{SW} cdot V{BST})，其中(Q{TG})為在(V{BST})下的總上部MOSFET柵極電荷，(f{SW})為開關(guān)頻率，(V{BST})為BST引腳電壓；底部MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器損耗同理?？刂艻C的結(jié)溫可通過公式(T{J}=T{A}+P{IC} cdot theta{JA})計(jì)算，其中(T{J})為IC的結(jié)溫，(T{A})為環(huán)境溫度，(theta_{JA})為IC封裝的結(jié)到環(huán)境熱阻。不過需要注意的是，電路板的物理布局、其他熱源（如MOSFET和電感）的接近程度以及連接到IC的金屬量都會(huì)影響器件的溫度，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)進(jìn)行測(cè)量。

布局考慮

在任何高頻開關(guān)轉(zhuǎn)換器中，布局都非常重要。一個(gè)功率器件到另一個(gè)功率器件的開關(guān)電流會(huì)在互連鍵合線和電路走線的阻抗上產(chǎn)生電壓瞬變，因此應(yīng)使用寬而短的印刷電路走線來最小化這些互連阻抗。關(guān)鍵元件應(yīng)盡可能靠近放置，可采用接地平面結(jié)構(gòu)或單點(diǎn)接地。為了最小化電壓過沖，粗線所示的互連導(dǎo)線應(yīng)作為印刷電路板中的接地或電源平面的一部分。建議將NCP158x放置在距離MOSFET（Q1和Q2）1英寸以內(nèi)，MOSFET的柵極和源極與NCP158x的電路走線應(yīng)能承受高達(dá)2A的峰值電流。

五、總結(jié)

NCP158x系列低電壓同步降壓控制器具有眾多優(yōu)秀的特性和豐富的功能，適用于多種電源應(yīng)用場(chǎng)景。在設(shè)計(jì)過程中，我們需要深入理解其引腳功能、工作原理和應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)，合理選擇外部元件，優(yōu)化電路布局，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)。大家在實(shí)際使用中遇到什么問題或者有什么新的發(fā)現(xiàn)，歡迎在評(píng)論區(qū)交流分享。希望今天的