用于車載USB供電的NCV8852

一 前言

在目前的車載娛樂系統(tǒng)中，USB接口已經(jīng)成為系統(tǒng)的標(biāo)配。隨著大電池容量的便攜設(shè)備的流行，做為車載充電接口的USB電源，需要提高更大的電流以滿足設(shè)備的需要。目前主流方案中，單個(gè)USB口的負(fù)載能力需要達(dá)到2.5A。

車載USB系統(tǒng)的架構(gòu)為： 從汽車蓄電池取電，經(jīng)過降壓電路后得到5V的穩(wěn)定電源，提供給USB的VBUS。汽車蓄電池的電壓并不是一個(gè)穩(wěn)定的電壓，其變化范圍是非常大的，以小型乘用車為例，其蓄電池電壓典型值為13V， 電壓范圍為9~16V， 在啟停等惡劣情況下，會(huì)低至6V，甚至更低。 不少整車廠對(duì)USB電源有著非常嚴(yán)苛的要求，6V電池電壓下要保證5V輸出，考慮到輸入端的反極性保護(hù)及線損，USB電源的輸入端電壓會(huì)更低。 這對(duì)車載USB電源的設(shè)計(jì)是個(gè)挑戰(zhàn)。

Buck電路是最常用的降壓開關(guān)電源。圖1所示為非同步的Buck電路。

圖1. 非同步buck電路結(jié)構(gòu)

其工作原理為，當(dāng)上管S1開通時(shí)，電源VIN向負(fù)載供電，電感L1儲(chǔ)能，電感上的電壓為VIN-VO。當(dāng)上管S1關(guān)閉后，電感L1向負(fù)載提供能量，電感上的電壓為-VO。圖二所示為電流連續(xù)模式下的BUCK電路的工作原理及波形。根據(jù)電感伏秒平衡可以得到
…………(1)
最后可以解出
…………(2)

圖2. 電流連續(xù)模式下的非同步buck的工作原理

常用的BUCK電路，出于成本考慮，會(huì)選用N溝道MOSFET。但是在車載USB電源的應(yīng)用中，成本較高的P溝道MOSFET卻更有優(yōu)勢(shì)。

根據(jù)公式2，如果需要實(shí)現(xiàn)在VIN=5.7V下，保證VO=5V。 那么最大占空比為，

88%只是理想情況下的理論計(jì)算值。實(shí)際中，需要考慮續(xù)流二極管D1的壓降，開關(guān)管S1的導(dǎo)通壓降，以及電感L1的直流阻抗的壓降，如圖3所示。
開關(guān)管閉合時(shí)， 不考慮電流紋波，電感上的電壓為：
…………(3)
其中， IO 為輸出電流， Rdson為上管MOSFET的導(dǎo)通電阻， DCR 為電感的直流阻抗。
開關(guān)管管斷開時(shí)，不考慮電流紋波，電感上的電壓為：
…………(4)
VD 為二極管的正向壓降

圖3. 考慮寄生參數(shù)的非同步Buck 電路工作原理

根據(jù)電感的伏秒平衡，可以得到實(shí)際的占空比為：
…………(5)
取VIN=5.7V,VO=5V,IO=2A,VD=0.3V, Rdson=50m?, DCR=70m?, 可以計(jì)算所需要的占空比為：

如果選擇N溝道MOSFET做為開關(guān)S1，驅(qū)動(dòng)電壓要高于VIN，需要用自舉電路，通過每個(gè)周期對(duì)自舉電容充電來驅(qū)動(dòng)NMOS，這種驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)在如此大的占空比的應(yīng)用中問題很多。而采用P溝道MOSFET，通?？梢宰龅?00%的占空比，即常開。在常開的情況下，我們可以得到： …………(6)
取VO=5V,IO=2A,VD=0.3V, Rdson=50m?, DCR=70m?, 可以得到該情況下，輸入電壓最低可為：

二． 基于NCV8852的車載USB電源設(shè)計(jì)

NCV8852是一款外接P溝道MOSFET的非同步BUCK 控制器。輸入電壓可高達(dá)44V，適用于12V蓄電池系統(tǒng)。 采用峰值電流控制，系統(tǒng)易于穩(wěn)定，響應(yīng)快。可通過在ROSC管腳外接電阻將工作頻率設(shè)定在100kHz 到500kHz。圖4為NCV8852的典型應(yīng)用電路。ISNS管腳檢測(cè)上管電流，用于峰值電流控制以及過流保護(hù)。COMP管腳為誤差放大器的輸出，外接RC電路以補(bǔ)償環(huán)路。

圖4. NCV8852的典型應(yīng)用電路

用NCV8852設(shè)計(jì)USB電源，輸入電壓范圍VIN=5.7~16V，典型值VIN_TYP=12V, 輸出電壓VO =5V， 輸出電流IO=2.5A, 工作頻率fs=170kHz.

Buck 電路工作的最惡劣條件為輸入電壓最高時(shí)，此時(shí)其電流紋波最大，峰值電流最高。

1. 設(shè)定工作頻率
NCV8852的工作頻率，可根據(jù)如下公式設(shè)定：
…………(7)
當(dāng)設(shè)置為170kHz時(shí)， 將ROSC開路即可。

2. 占空比
最高工作電壓下，占空比最小為：

最低工作電壓下，占空比最大為：

3. 選擇電感
電感主要有紋波電流ΔI決定。 通常將ΔI設(shè)定為典型輸入電壓下，最大輸出電流的30%~50%， 這里取為30%。

電感值為：
…………(8)

實(shí)際取為L(zhǎng)1=22uH。
最高輸入電壓上的最大紋波電流為：
…………(9)

電感上的最大峰值電流為

…………(10)

考慮30%的裕量， 選取電感的直流電流大于3.2A，飽和電流大于3.9A。選取WURTH電感744770122，感值22uH， 直流電阻45m?，最大直流電流4.1A， 最大飽和電流5A。

4． 選取電流檢測(cè)電阻
…………(11)
VCL: 過流門限電壓，為100mV.ICL:過流保護(hù)電流值，設(shè)定限流值為最大峰值電流的1.3~1.5倍。
選取25m?采樣電阻，過流保護(hù)值設(shè)為4A。

5. MOSFET選擇
MOSFET承受的最高電壓為 VINMAX , 考慮到拋負(fù)載保護(hù)，選取耐壓40V以上的MOS。MOSFET的損耗，可由以下公式估算，
導(dǎo)通損耗：
…………(12)
開關(guān)損耗
…………(13)
, …………(14)
tON, tOFF 為MOSFET開通和關(guān)斷時(shí)間。
ISINK: 為驅(qū)動(dòng)下拉電流，NCV8852的驅(qū)動(dòng)下拉電流典型值為200mA.
ISRC: 為驅(qū)動(dòng)的輸出電流，NCV8852的驅(qū)動(dòng)輸出電流典型值為200mA
選取ONSEMI的NVTFS5116PL, 耐壓60V， 導(dǎo)通電阻Rdson=52m?@VGS=10V, QGD=8nC, 封裝u8FL, 參考熱阻(芯片結(jié)溫到環(huán)境溫度)47OC/W。
由QGD可先計(jì)算出MOSFET的開通關(guān)斷時(shí)間為：

計(jì)算MOSFET功耗：
在最高輸入電壓下
…………(15)
…………16)
MOSFET的結(jié)溫為

…………(17)

TA_MAX為最大環(huán)境溫度，車載USB電源一般要求為85oC。150oC 為最大結(jié)溫。
在最低輸入電壓下

MOSFET的結(jié)溫為

6． 續(xù)流二極管的選擇
續(xù)流二極管上的最大反向壓降為VINMAX ,流過二極管的最大峰值電流為2.96A， 流過二極管的最大平均電流為
…………(18)
建議二極管正向電流為流過二級(jí)管的平均電流的1.5倍。這里選取ONSEMI的MBRA340, 最大正向平均電流為3A， 反向耐壓40V， SMA封裝，參考熱阻為81oC/W。2.5A，100oC結(jié)溫時(shí)的正向?qū)▔航导s為0.32V
二極管損耗（忽略寄生電容產(chǎn)生的損耗）為：
…………(19)
最高結(jié)溫為：
…………(20)

7. 輸出電容的選擇
輸出電容紋波主要由兩部分組成，一部分為電容ESR產(chǎn)生的紋波，另一部分為電容產(chǎn)生的紋波。

由電容產(chǎn)生的紋波為： …………(21)

由ESR產(chǎn)生的紋波為： …………(22)

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將輸出紋波近視為ESR紋波與電容紋波相加：
…………(23)

輸出電容電流的有效值為： …………(24)

如果選取電解電容，需要保證輸出電容電流的有效值要小于電解電容允許的最大紋波電流。
選取22uF的瓷片電容，ESR產(chǎn)生的紋波可忽略，則輸出紋波為：

8. 輸入電容的選擇
忽略電感電流紋波，輸入電容電流的有效值為：
…………(25)
如果選擇電解電容，需要保證輸出電容電流的有效值要小于電解電容允許的最大紋波電流。

9.反饋電阻
根據(jù)公式：
…………(26)
VFB=0.8V， 選取RFB1=10K?，則RFB2=52.5K?

10. 補(bǔ)償電路的設(shè)定
NCV8852采用峰值電流模式控制。 考慮簡(jiǎn)化的峰值電流模型（不考慮斜坡補(bǔ)償）。如圖5所示：

圖5. 簡(jiǎn)化的峰值電流模型

RO為等效的負(fù)載電阻。
不考慮電感電流紋波有：
…………(27)

ACSA為NCV8852電流檢測(cè)運(yùn)放的增益。VCOMP到VO 的傳遞函數(shù)為：
…………(28)

系統(tǒng)有一個(gè)極點(diǎn)，和一個(gè)零點(diǎn)。如果用瓷片電容，則可以忽略由ESR產(chǎn)生的零點(diǎn)。
NCV8852采用的電壓型運(yùn)放，其反饋電路如圖6所示。

圖6. NCV8852輸出電壓誤差放大器

寫出VO到VCOMP的傳遞函數(shù)
…………(29)
除去零點(diǎn)處的極點(diǎn)，還有一個(gè)零點(diǎn)和一個(gè)極點(diǎn)，如果不接CCC，則只有一個(gè)零點(diǎn)。

通常當(dāng)系統(tǒng)的增益曲線，能夠以-1斜率（-20db/dec）穿越0db線時(shí)，可以獲得較好的相位欲度。為此需要滿足：
…………(30)

Fc為系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的穿越頻率，通常取為開關(guān)頻率的1/6以下, FRC為主電路傳遞函數(shù)的極點(diǎn)的頻率， AP0 為主電路傳遞函數(shù)的低頻增益， AEM 為反饋電路傳遞函數(shù)的中頻增益。
…………(31)
…………(32)
由此可以得到RC
…………(33)
取Fc=17kHz。 已知， CO =22uF, RSNS=25m?, ACSA=2V/V, RFB2=52.5k?。
可以求得RC =6.2k?。

反饋電路的零點(diǎn)要放在主電路的極點(diǎn)附近，所以有：
…………(34)
得到CC :

其中：
計(jì)算得CC=7.1nF, 選取CC =8.2nF。
因?yàn)殡娐凡扇∮么善娙?，所以不用去消除由ESR造成的零點(diǎn)。CCC 不接。 如果采用的是電解電容則需要把反饋電路的極點(diǎn)放到主電路ESR零點(diǎn)附近?？筛鶕?jù)下式計(jì)算CCC
…………(35)

圖7. NCV8852 5V，2.5A 車載USB電源設(shè)計(jì)實(shí)例電路圖

表1， 圖7設(shè)計(jì)實(shí)例的主要元件清單
元件描述封裝廠家型號(hào)
L122uH, DCR(typ)=45m?, IR=4.1A, ISAT=5ASMDWurth744770122
Q1MOSFET,60V, Rdson=52m?@VGS=10Vu8FLOnsemiNVTFS5116PL
D1肖特基二極管,3A,40VSMAOnsemiMBRA340
U1PMOS BUCK控制器SO8OnsemiNCV8852
CIN陶瓷電容，10uF,50V1210
CO陶瓷電容，22uF,16V1210
C1陶瓷電容， 100nF,50V0603
CC陶瓷電容， 8.2nF,16V0603
CCC不焊0603
RSNS電流檢測(cè)電阻，25m?, 0.5W2010
RC電阻,精度 1%, 6.2k0603
RFB1電阻,精度1%,10k0603
RFB2電阻,精度1%,52.5k0603
ROSC不焊0603

圖8. NCV8852電路實(shí)測(cè)工作波形