NCP3163、NCV3163 反相轉(zhuǎn)換器與開關(guān)穩(wěn)壓器深度解析

一、產(chǎn)品概述

NCP3163 系列是對流行的 MC33163 和 MC34163 單片 DC - DC 轉(zhuǎn)換器的性能提升產(chǎn)品。它由內(nèi)部溫度補償基準(zhǔn)、比較器、帶有源電流限制電路的受控占空比振蕩器、驅(qū)動器和高電流輸出開關(guān)組成。該控制器專為在降壓、升壓或電壓反相應(yīng)用中使用最少的外部組件而設(shè)計，NCP3163 采用了露銅焊盤封裝，可大大提高內(nèi)置功率開關(guān)的散熱能力。

文件下載：NCP3163BUCKGEVB.pdf

二、產(chǎn)品特性

電氣性能

• 高輸出電流：輸出開關(guān)電流超過 3.0 A，峰值開關(guān)電流可達 3.4 A。
• 寬頻率范圍：頻率可在 50 kHz 至 300 kHz 之間調(diào)節(jié)，且可外部調(diào)節(jié)工作頻率。
• 精確輸出控制：擁有 2% 精度的基準(zhǔn)，可實現(xiàn)精確的輸出電壓控制。
• 高效驅(qū)動：驅(qū)動器具備自舉能力，可提高效率。
• 電流限制與保護：具備逐周期電流限制、內(nèi)部熱關(guān)斷保護功能。
• 低待機電流：能有效降低功耗。

應(yīng)用特性

• 寬輸入電壓范圍：可在 2.5 V 至 40 V 的輸入電壓下工作。
• 低電壓指示輸出：可直接與微處理器接口。
• 環(huán)保設(shè)計：為無鉛器件，符合環(huán)保要求。
• 汽車級應(yīng)用：NCV 前綴適用于汽車和其他需要現(xiàn)場和變更控制的應(yīng)用。

三、引腳功能與參數(shù)

引腳功能

最大額定值

四、工作原理

振蕩器

振蕩器頻率和輸出開關(guān)的導(dǎo)通時間由定時電容 (C{T}) 的值編程。(C{T}) 由 9:1 比例的內(nèi)部電流源和吸收器充電和放電，在引腳 6 產(chǎn)生負(fù)向鋸齒波。當(dāng) (C{T}) 充電時，振蕩器輸出產(chǎn)生一個內(nèi)部脈沖，該脈沖連接到或非門中心輸入，防止輸出開關(guān)導(dǎo)通；連接到與門上部輸入，若比較器輸出為低，則允許鎖存器復(fù)位。因此，輸出開關(guān)在上升期間始終禁用，僅在下降開始時可由比較器輸出啟用。振蕩器的峰值和谷值閾值分別為 1.25 V 和 0.55 V，充電電流為 225 μA，放電電流為 25 μA，最大導(dǎo)通時間占空比為 90%。對于特定的轉(zhuǎn)換器配置，可能需要降低最大占空比，可通過在 (C{T}) 兩端添加外部死區(qū)時間電阻 ((R_{DT})) 來實現(xiàn)，該電阻會增加放電電流，從而減少輸出開關(guān)的導(dǎo)通時間。

反饋和低電壓指示比較器

• 反饋比較器：輸出電壓控制由反饋比較器實現(xiàn)。反相輸入內(nèi)部偏置為 1.25 V 且未引出引腳。轉(zhuǎn)換器輸出電壓通常通過兩個外部電阻分壓，并由引腳 2 的高阻抗同相輸入監(jiān)測。最大輸入偏置電流為 ±0.4 μA，這可能導(dǎo)致輸出電壓誤差，誤差等于輸入偏置電流與上部分壓電阻值的乘積。對于需要 5.0 V 的應(yīng)用，轉(zhuǎn)換器輸出可直接連接到引腳 3 的同相輸入，引腳 2 的高阻抗輸入必須接地以防止噪聲拾取。內(nèi)部電阻分壓器設(shè)置為標(biāo)稱電壓 5.05 V，額外的 50 mV 用于補償從轉(zhuǎn)換器輸出到負(fù)載的電纜和連接器中的 1.0% 電壓降。反饋比較器的輸出狀態(tài)由施加到兩個同相輸入中較高的電壓控制。
• 低電壓指示（LVI）比較器：設(shè)計用于基于微處理器的系統(tǒng)中作為復(fù)位控制器。反相輸入內(nèi)部偏置為 1.125 V，將同相輸入閾值設(shè)置為標(biāo)稱值的 90%。LVI 比較器具有 15 mV 的遲滯，以防止復(fù)位操作不穩(wěn)定。開集電極輸出能夠吸收超過 6.0 mA 的電流?？墒褂猛獠侩娮?((R{LVI})) 和電容 ((C{DLY})) 通過以下公式編程復(fù)位延遲時間 ((t{DLY}))： [t{D L Y}=R{L V I} cdot C{D L Y} cdot ln left(frac{1}{1-frac{V{th(M P U)}}{V{out }}}right)]

電流限制比較器、鎖存器和熱關(guān)斷

在正常工作條件下，電壓模式紋波轉(zhuǎn)換器的輸出開關(guān)導(dǎo)通由振蕩器啟動，由電壓反饋比較器終止。當(dāng)轉(zhuǎn)換器輸出過載或反饋電壓檢測丟失時，會出現(xiàn)異常工作條件。在這些條件下，電流限制比較器將保護輸出開關(guān)。開關(guān)電流通過在 (V{CC}) 和輸出開關(guān)晶體管 (Q{2}) 串聯(lián)一個分?jǐn)?shù)歐姆電阻 (R{SC}) 轉(zhuǎn)換為電壓。(R{SC}) 上的電壓降由電流檢測比較器監(jiān)測。如果電壓降相對于 (V{CC}) 超過 250 mV，比較器將設(shè)置鎖存器并逐周期終止輸出開關(guān)導(dǎo)通。這種比較器/鎖存器配置確保輸出開關(guān)在給定的振蕩器周期內(nèi)只有一個導(dǎo)通時間。(R{SC}) 的值計算如下： [R{SC}=frac{0.25}{I{pk (Switch)}}]

內(nèi)部熱關(guān)斷電路用于在超過最大結(jié)溫時保護 IC。當(dāng)激活時（通常在 170°C），鎖存器被強制進入“置位”狀態(tài)，禁用輸出開關(guān)。此功能用于防止因意外設(shè)備過熱導(dǎo)致的災(zāi)難性故障，但不能替代適當(dāng)?shù)纳岽胧?/p>

驅(qū)動器和輸出開關(guān)

為了提高系統(tǒng)設(shè)計的靈活性和轉(zhuǎn)換效率，驅(qū)動器電流源和集電極以及輸出開關(guān)集電極和發(fā)射極分別引出引腳。這使設(shè)計人員可以選擇以選定的強制增益將輸出開關(guān)驅(qū)動到飽和狀態(tài)，或在連接為達林頓管時將其驅(qū)動到接近飽和狀態(tài)。輸出開關(guān)在 2.5 A 時典型電流增益為 70，設(shè)計用于切換最大 40 V 的集電極到發(fā)射極電壓，峰值集電極電流可達 3.4 A。

在降壓或電壓反相應(yīng)用中，當(dāng)開關(guān)關(guān)閉時，電感會使輸出整流器正向偏置。不應(yīng)使用具有高正向電壓降或長導(dǎo)通延遲時間的整流器。如果發(fā)射極允許足夠負(fù)，集電極電流將流動，導(dǎo)致額外的器件發(fā)熱和降低轉(zhuǎn)換效率。建議使用 1N5822 或等效的肖特基勢壘整流器。

自舉輸入用于降低降壓和電壓反相轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中的輸出開關(guān)飽和電壓。該輸入通過串聯(lián)電阻和電容連接到開關(guān)發(fā)射極，用于將內(nèi)部 2.0 mA 偏置電流源提升到 (V{CC}) 以上。內(nèi)部齊納二極管將自舉輸入電壓限制在 (V{CC}+7.0 V)。電容的等效串聯(lián)電阻必須將齊納電流限制在小于 100 mA。使用鉭或其他低 ESR 電容時，可能需要額外的串聯(lián)電阻?；谧钚↓R納電壓和上限電流源計算最小自舉電容的公式如下： [C{B(min )}=1 frac{Delta t}{Delta V}=4.0 mA frac{t{on }}{4.0 V}=0.001 t_{on}]

五、應(yīng)用設(shè)計

設(shè)計方程

典型應(yīng)用示例 - 降壓應(yīng)用