汽车级启停非同步升压控制器NCV8877：设计与应用全解析

在汽车电子领域，随着启停技术的广泛应用，对能够在电池电压下降时提供稳定输出电压的升压控制器的需求日益增长。今天我们就来深入探讨一下安森美（onsemi）的NCV8877汽车级启停非同步升压控制器。

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一、NCV8877概述

NCV8877是一款专为汽车启停系统设计的非同步升压控制器，其主要功能是在车辆启停过程中，当电池电压下降时，为系统提供稳定的最小输出电压。它通过驱动外部N沟道MOSFET来实现升压功能，采用了峰值电流模式控制，并内置了斜率补偿，能有效提高系统的稳定性和响应速度。同时，该控制器还具备一系列保护功能，如逐周期电流限制和热关断，确保了系统在各种复杂工况下的可靠性。

典型应用

电流模式控制原理图

二、关键特性剖析

（一）自动使能与调节

NCV8877在正常电池工作（12V）时处于低静态电流睡眠模式，当电源电压下降到低于下降阈值（如NCV887701为7.3V）时被启用。当电源电压低于调节设定点（如NCV887701为6.8V）时，开始启动升压操作。当电源电压恢复并超过调节设定点时，升压操作停止；当电源电压超过上升电压阈值（如NCV887701为7.6V）时，再次进入低静态电流睡眠模式。这种自动使能和调节机制，能有效应对电池电压的波动，确保系统的稳定运行。

（二）高精度输出

在整个温度范围内，NCV8877能实现±2%的输出精度，这对于对电压精度要求较高的汽车电子系统来说至关重要。

（三）灵活的频率调节

支持外部可调频率操作，用户可以根据实际应用需求灵活调整开关频率，以优化系统性能。

（四）宽输入电压范围

输入电压范围为2V至40V，能承受45V的负载突降，适应各种复杂的电源环境。

（五）低静态电流

在睡眠模式下，典型静态电流小于12μA，有助于降低系统功耗，提高能源效率。

（六）多重保护功能

具备逐周期电流限制保护、打嗝模式过流保护（OCP）和热关断（TSD）等多种保护功能，能有效防止控制器因过流、过热等故障而损坏。

三、引脚功能详解

引脚编号	引脚符号	功能描述
1	DISB	禁用输入，低电平有效，拉低该引脚可禁用该器件。
2	ISNS	电流检测输入，通过电流检测电阻连接到外部N - MOS的源极，用于检测开关电流，实现调节和电流限制。
3	GND	接地参考。
4	GDRV	栅极驱动输出，连接到外部N - MOSFET的栅极，可添加串联电阻以调整EMC性能。
5	VDRV	驱动电压，内部稳压电源，用于驱动外部N - MOSFET，需通过1.0μF陶瓷电容接地旁路。
6	VOUT	监测输出电压，并为IC提供输入电压。
7	VC	电压误差跨导放大器的输出，需连接外部补偿网络到GND以稳定转换器。
8	ROSC	通过连接到地的电阻来设置频率。

四、工作原理深度解读

（一）电流模式控制

NCV8877采用电流模式控制方案，PWM斜坡信号来自功率开关电流。该斜坡信号与误差放大器的输出进行比较，以控制功率开关的导通时间。振荡器作为固定频率时钟，确保系统具有恒定的工作频率。与传统的电压模式控制相比，电流模式控制具有以下优势：

1. 快速响应：斜坡信号直接来自电感，能立即响应线电压变化，消除了输出滤波器和误差放大器带来的延迟。
2. 逐周期电流限制：通过限制峰值开关电流，实现了固有的逐周期电流限制功能。
3. 简化补偿：由于电流模式控制的是输出电流而非电压，滤波器对反馈回路只提供单极点，简化了补偿设计。

（二）斜率补偿

为了提高系统的稳定性，NCV8877内置了斜率补偿方案，将振荡器产生的固定斜坡添加到电流斜坡上。合适的斜率速率既能保证电路的稳定性，又不会牺牲电流模式控制的优势。

（三）电流限制

具备两种电流限制保护功能：

1. 峰值电流模式：当电流检测放大器在电流限制前沿消隐时间后检测到ISNS和GND之间的电压超过峰值电流限制时，功率开关在该周期的剩余时间内关断。
2. 过流打嗝模式：当电流检测电阻两端的电压超过过流阈值电压时，器件进入过流打嗝模式，停止开关操作一段时间后，再重新启动软启动程序。

（四）欠压锁定（UVLO）

输入欠压锁定功能确保当输入电压过低，无法支持内部电源轨和为控制器供电时，器件不会出现意外行为。当输入电压超过UVLO阈值加上UVLO迟滞时，IC启动；当输入电压低于UVLO阈值或器件被禁用时，IC关闭。

（五）VDRV驱动电压

内部稳压器为栅极驱动器提供驱动电压，需通过陶瓷电容接地旁路，以确保快速导通时间。电容值应根据外部MOSFET的开关速度和充电要求在0.1μF至1μF之间选择。

五、应用设计指南

（一）设计步骤

1. 定义工作参数：确定最小输入电压、最大输入电压、输出电压、最大输出电流和期望的典型逐周期电流限制等参数。
2. 选择工作频率：默认设置为ROSC引脚开路，振荡器以默认频率工作。添加连接到地的电阻可提高开关频率，可参考公式$R{OSC}=\frac{2859}{(F{sw}-170)}$进行计算。
3. 选择电流检测电阻：根据公式$R{S}=\frac{V{CL}}{I{CL}}$选择合适的电流检测电阻，其中$V{CL}$为电流限制阈值电压，$I_{CL}$为期望的电流限制。
4. 选择输出电感：选择合适的峰值电流纹波值（建议为最大负载下电感电流的20 - 40%），然后根据公式$L=\frac{V{IN(WC)} D{WC}}{\Delta I{L max } f{s}}$计算电感值。
5. 选择输出电容：输出电容用于平滑输出电压，减少线路瞬变引起的过冲和下冲。可根据相关公式计算稳态输出纹波和电容需承受的RMS纹波电流。
6. 选择输入电容：输入电容用于减少输入电压纹波，可根据公式$Cin(RMS) =\frac{V{IN(WC)}^{2} D{WC}}{L f{s} V{OUT } 2 \sqrt{3}}$计算电容值。
7. 选择补偿组件：采用简单的Type II补偿方案，优化系统的动态响应。
8. 选择MOSFET：确保所选MOSFET的总栅极电荷$Q{g(total)}$满足不等式$Q{g(total)} \leq \frac{I{drv}}{f{s}}$，并计算最大RMS电流和最大电压。
9. 选择二极管：输出二极管用于整流输出电流，其平均电流应等于输出电流，且能承受输出电压和最大输入电压中的较高值。
10. 设计注意事项：
    • VOUT引脚具有反馈和IC供电双重功能，需在IC附近添加1μF的去耦电容。
    • 建议采用反馈回路计算机建模，进行阶跃负载测试以验证稳定性。
    • 补偿地和ROSC编程电阻地应专用，并直接连接到IC地，避免使用过孔。
    • IC地和电流检测电阻地感应点应位于PCB的同一侧，避免过孔引入的ESR/ESL电压降影响电流反馈信号的准确性。
    • 星型接地应位于IC接地焊盘处，用于连接补偿和电流检测地。
    • 在某些情况下，可能需要添加电流脉冲前沿电流尖峰RC滤波器。
11. 确定反馈回路补偿网络：通过优化补偿网络，确保转换器在输入线和负载瞬变时具有稳定的调节响应。可参考相关公式和表格进行计算和设计。

六、总结

NCV8877作为一款专为汽车启停系统设计的非同步升压控制器，具有众多优秀的特性和强大的功能。在实际应用中，通过合理选择和设计外部组件，能够充分发挥其性能优势，为汽车电子系统提供稳定可靠的电源解决方案。但在设计过程中，需要注意各种细节，确保系统的稳定性和可靠性。希望本文能为电子工程师在使用NCV8877进行设计时提供有益的参考。你在使用NCV8877的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。