探索onsemi NCP45732：高效负载管理的理想之选

在电子设备的电源管理领域，如何实现高效、可靠且紧凑的设计一直是工程师们关注的焦点。onsemi推出的NCP45732负载管理设备，凭借其先进的功能和出色的性能，为电源领域带来了新的解决方案。

文件下载：onsemi NCP45732 ecoSWITCH™保护电源开关.pdf

1. 产品概述

NCP45732旨在为高效电源域切换提供组件和面积缩减解决方案，通过软启动实现浪涌电流限制。它将控制和驱动功能与高性能低导通电阻（$R_{ON}$）功率MOSFET集成在单个封装中，提供故障保护和电源良好信号的监控功能。这种经济高效的解决方案非常适合USB Type - C端口的电源管理和断开功能，以及需要小尺寸、低功耗的电源管理应用。

框图

2. 核心特性

2.1 先进的控制器与低$R_{ON}$ MOSFET

集成了带电荷泵的N沟道MOSFET，典型$R_{ON}$仅为11.7mΩ，能有效降低导通损耗。通过控制转换速率实现软启动，可减少浪涌电流对系统的冲击。

2.2 丰富的保护与监测功能

具备故障检测功能，并通过电源良好（PG）输出信号进行状态指示。提供热关断、欠压锁定、短路保护和可调节过流保护等多重保护机制，确保设备在各种异常情况下的安全性。

2.3 宽输入电压范围与低功耗

输入电压范围为3V至24V，能适应多种电源环境。极低的待机电流，有助于降低系统功耗，延长电池续航时间。

2.4 环保合规

该设备符合无铅、RoHS/REACH标准，满足环保要求。

3. 典型应用场景

• USB Type - C电源传输：为USB Type - C端口提供可靠的电源管理和负载切换功能。
• 服务器、机顶盒和网关：保障设备的电源稳定性和可靠性。
• 笔记本和平板电脑：满足移动设备对小尺寸、低功耗电源管理的需求。
• 电信、网络、医疗和工业设备：适用于对电源质量和可靠性要求较高的领域。
• 热插拔设备和外设端口：支持热插拔操作，方便设备的维护和扩展。

4. 引脚配置与功能

引脚	名称	功能
2	SR	通过外部电容连接到Vss进行转换速率调整；若不使用则浮空。
3	Vcc	驱动器电源电压（3.0V - 5.5V）
4	EN	高电平有效数字输入，用于开启MOSFET驱动器，引脚内部有下拉电阻到Vss。
5,11	VIN	输入电压（3V - 24V），适用于大电流（>0.5A）应用。
6,7	VouT	MOSFET源极连接到负载，内部有到Vss的泄放电阻，所有引脚必须连接以确保正确的$R_{ON}$、过流保护和电流能力。
8	Vss	驱动器接地
9	OCP	通过外部电阻进行过流保护触发点调整，引脚内部有上拉电阻到EN；若不需要过流保护则接地。
10	PG	高电平有效、开漏输出，指示MOSFET栅极何时完全充电，需要外部上拉电阻（>100kΩ）连接到外部电压源；若不使用则连接到Vss。

5. 电气特性

5.1 导通电阻

在不同的$V{cc}$和$V{IN}$条件下，典型导通电阻$R_{ON}$为11.7mΩ，最大值为13.5mΩ，确保了低功耗和高效的功率传输。

5.2 电流特性

• 泄漏电流：$V{EN}= 0V$，$V{IN}=24V$时，$V{IN}$到$V{OUT}$的泄漏电流在 - 100nA至100nA之间。
• 控制电流：不同$V{EN}$和$V{IN}$条件下，$V{IN}$到$V{ss}$的控制电流有明确的范围。
• 待机电流和动态电流：待机电流典型值为1μA，最大值为5μA；动态电流典型值为350μA，最大值为500μA。

5.3 其他特性

• 泄放电阻：典型值为100kΩ，范围在75kΩ至200kΩ之间。
• EN输入电压：高电平输入电压$V{IH}$为2V，低电平输入电压$V{IL}$最大为0.8V。

6. 保护机制

6.1 短路保护（硬短路）

当检测到输出$V{OUT}$硬短路到地时，电路会监测$V{IN}$和$V{OUT}$引脚之间的电压差。当差值达到短路保护阈值电压时，MOSFET关闭，负载泄放激活。设备将保持关闭并锁定在故障状态，直到EN信号切换或$V{CC}$电源电压循环，此时MOSFET将以正常的输出开启延迟和转换速率受控开启。

6.2 过流保护（软短路）

当$V{IN}$引脚到$V{OUT}$引脚的电流超过过流保护（OCP）阈值的时间超过消隐时间时，MOSFET将关闭，PG引脚拉低。与短路保护类似，设备将锁定在故障状态，直到EN信号切换或$V_{CC}$电源电压循环。过流保护触发点可通过外部电阻连接到OCP引脚进行调整。

6.3 热关断

当检测到过温情况时，热关断电路将关闭MOSFET并激活负载泄放。当结温下降到由热滞回决定的安全工作温度时，设备将退出热关断状态。如果EN信号仍然有效，MOSFET将以正常的输出开启延迟和转换速率受控开启。为了降低待机电流，当EN信号无效时，热关断电路将被禁用。

6.4 欠压锁定

当输入电压$V{IN}$下降到欠压锁定阈值以下时，欠压锁定电路将关闭MOSFET并激活负载泄放。当$V{IN}$电压上升到欠压锁定阈值以上，且EN信号仍然有效时，MOSFET将以正常的输出开启延迟和转换速率受控开启。同样，为了降低待机电流，当EN信号无效时，欠压锁定电路将被禁用。

7. 应用设计要点

7.1 使能控制

NCP45732采用高电平有效配置来使能MOSFET。当EN引脚处于逻辑高电平，且$V_{CC}$电源引脚施加了足够的电压时，MOSFET将被使能；当EN引脚处于逻辑低电平时，MOSFET将被禁用。EN引脚上的内部下拉电阻确保在未驱动时MOSFET处于禁用状态。

7.2 转换速率控制

通过在SR引脚和地之间添加外部电容，可以降低转换速率。设备的转换速率将取默认转换速率和调整后转换速率中的较低值。如果外部电容$C{SR}$不足以将转换速率降低到低于指定的默认值，则设备的转换速率将为默认值。转换速率可通过公式$Slew Rate =\frac{K{SR}}{C{SR}}[V / s]$计算，其中$K{SR}$为指定的转换速率控制常数，$C_{SR}$为添加在SR引脚和地之间的电容。

7.3 容性负载

应用负载电容初始充电时的峰值浪涌电流需要保持在指定的$I{max}$以下。容性负载$C{L}$应小于$C{max}$，$C{max}$可通过公式$C{max }=\frac{I{max }}{SR{typ }}$计算，其中$I{max}$为最大负载电流，$SR_{typ}$为未在SR引脚添加外部负载电容时的典型默认转换速率。

7.4 关断到导通转换能量耗散

在稳态运行期间，由于低$R{ON}$，从$V{IN}$到$V{OUT}$的负载电流引起的能量耗散非常低。当EN信号置为高电平时，负载开关从关断状态转换到导通状态。在此期间，从$V{IN}$到$V{OUT}$的电阻从高阻抗转换到$R{ON}$，设备会在短时间内耗散额外的能量。关断到导通转换期间的最坏情况能量耗散可通过公式$E=0.5 \cdot V{I N}\left(I{INRUSH }+0.8 \cdot I{LOAD }\right) \cdot dt$近似计算，其中$V{IN}$为$V{IN}$引脚上的电压，$I{INRUSH}$为$V{OUT}$上的电容负载引起的浪涌电流，$dt$为$V{OUT}$从0V上升到$V{IN}$所需的时间。$I{INRUSH}$可通过公式$I{INRUSH }=\frac{dv}{dt} \cdot C{L}$计算，其中$dv/dt$为编程的转换速率，$C{L}$为$V{OUT}$上的电容负载。为了防止设备出现热锁定或损坏，关断到导通转换期间的能量耗散应限制在操作范围表中列出的$E_{TRANS}$以内。

8. 总结

onsemi的NCP45732负载管理设备以其先进的功能、丰富的保护机制和出色的电气性能，为电源管理应用提供了一个可靠、高效的解决方案。在设计过程中，工程师们需要根据具体的应用场景，合理配置引脚参数，充分发挥其优势，确保系统的稳定性和可靠性。同时，在面对不同的负载情况和异常情况时，要充分利用其保护机制，避免设备损坏和系统故障。大家在实际应用中是否遇到过类似负载管理设备的挑战呢？又有哪些独特的解决方案呢？欢迎在评论区分享交流。