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USB口的負載能力需要達到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，會低至6V，甚至更低。 不少整車廠對USB電源有著非常嚴苛的要求，6V電池電壓下要保證5V輸出，考慮到輸入端的反極性保護及線損，USB電源的輸入端電壓會更低。 這對車載USB電源的設(shè)計是個挑戰(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。

USB供電的NCV8852" />

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，電源VIN向負載供電，電感L1儲能，電感上的電壓為VIN-VO。當(dāng)上管S1關(guān)閉后，電感L1向負載提供能量，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[!--empirenews.page--]

最后可以解出

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。

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

VD 為二極管的正向壓降

如果選擇N溝道MOSFET做為開關(guān)S1，驅(qū)動電壓要高于VIN，需要用自舉電路，通過每個周期對自舉電容充電來驅(qū)動NMOS，這種驅(qū)動結(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，通常可以做到100%的占空比，即常開。在常開的情況下，我們可以得到：[!--empirenews.page--]

二. 基于NCV8852的車載USB電源設(shè)計

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?？赏ㄟ^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管腳檢測上管電流，用于峰值電流控制以及過流保護。COMP管腳為誤差放大器的輸出，外接RC電路以補償環(huán)路。

圖4. NCV8852的典型應(yīng)用電路

用NCV8852設(shè)計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，此時其電流紋波最大，峰值電流最高。[!--empirenews.page--]

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：

當(dāng)設(shè)置為170kHz時， 將ROSC開路即可。

2. 占空比

最高工作電壓下，占空比最小為：

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%。

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45mΩ，最大直流電流4.1A， 最大飽和電流5A。

4. 選取電流檢測電阻[!--empirenews.page--]

tON, tOFF 為MOSFET開通和關(guān)斷時間。

ISINK: 為驅(qū)動下拉電流，NCV8852的驅(qū)動下拉電流典型值為200mA.

ISRC: 為驅(qū)動的輸出電流，NCV8852的驅(qū)動輸出電流典型值為200mA

選取ONSEMI的NVTFS5116PL, 耐壓60V， 導(dǎo)通電阻Rdson=52mΩ@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可先計算出MOSFET的開通關(guān)斷時間為：

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

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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：

系統(tǒng)有一個極點，和一個零點。如果用瓷片電容，則可以忽略由ESR產(chǎn)生的零點。

NCV8852采用的電壓型運放，其反饋電路如圖6所示。

取Fc=17kHz。 已知， CO =22uF, RSNS=25mΩ, ACSA=2V/V, RFB2=52.5kΩ。

可以求得RC =6.2kΩ。

反饋電路的零點要放在主電路的極點附近，所以有：

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圖7. NCV8852 5V，2.5A 車載USB電源設(shè)計實例電路圖

表1， 圖7設(shè)計實例的主要元件清單

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圖8. NCV8852電路實測工作波形