电子工程师必看：NCP158x系列低电压同步降压控制器深度解析

最近在研究电源管理相关的内容时，发现ON Semiconductor（现onsemi）推出的NCP158x系列低电压同步降压控制器十分实用。今天就结合官方文档，详细解析一下这个系列的控制器。

文件下载：NCP1582DR2GEVB.pdf

一、NCP158x系列概述

NCP158x系列包含NCP1582、NCP1582A和NCP1583这几款控制器，它们是低成本的PWM控制器，可从5V或12V电源供电运行，能产生低至0.8V的输出电压。8引脚的设计实现了高度集成，有助于降低电源的尺寸和成本。

主要特性

1. 输入电压范围广：4.5V到13.2V，能适应多种电源环境。
2. 内部振荡器：NCP1582和NCP1582A为350kHz，NCP1583为300kHz。
3. 电压模式PWM控制：确保输出电压的稳定调节。
4. 可调输出电压：可根据实际需求进行灵活调整。
5. 可编程软启动功能：减少浪涌电流和输出电压的过冲。
6. 保护功能完善：具备短路保护（SCP）和欠压锁定（UVLO），提高系统的可靠性。
7. 内部0.7A栅极驱动器：能够驱动外部N沟道MOSFET，满足不同功率转换需求。
8. 最大占空比80%：可实现高效的电源转换。

应用领域

这个系列适用于多种场景，如显卡、台式电脑、服务器/网络设备、DSP和FPGA电源以及DC - DC调节器模块等。大家在实际项目中碰到类似的供电需求时，不妨考虑一下NCP158x系列。

二、引脚功能与参数

对于电子工程师来说，理解器件的引脚功能和参数至关重要。下面我们就来看看NCP158x系列的引脚功能和相关参数。

引脚功能描述

Pin No.	Symbol	Description
1	BST	浮动顶部栅极驱动器的电源轨，需外接二极管和电容构成升压电路。
2	TG	顶部N沟道MOSFET驱动器引脚，连接到顶部MOSFET的栅极。
3	GND	芯片接地参考引脚，所有控制电路都以此为参考。
4	BG	底部N沟道MOSFET驱动器引脚，连接到底部MOSFET的栅极。
5	VCC	内部电路的电源轨，工作电压范围为4.5V到15V，需接1μF电容去耦。
6	FB	误差放大器的反相输入引脚，用于补偿电压控制反馈环路。
7	COMP/DIS	补偿引脚，也是误差放大器的输出和PWM比较器的同相输入，还可用于禁用芯片。
8	PHASE	开关节点引脚，是浮动顶部栅极驱动器的参考点，连接到顶部MOSFET的源极。

绝对最大额定值和最大额定值

了解这些额定值可以避免因超过极限参数而损坏器件。

• 绝对最大额定值：	Pin Name	Symbol	V MAX	V MIN
  Main Supply Voltage Input	V CC	15 V	−0.3 V
  Bootstrap Supply Voltage Input	BST	30 V wrt/GND 15 V wrt/PHASE	−0.3 V
  Switching Node (Bootstrap Supply Return)	PHASE	24 V	−0.7 V −5 V for < 50 ns
  High−Side Driver Output (Top Gate)	TG	30 V wrt/GND 15 V wrt/PHASE	−0.3 V wrt/PHASE
  Low−Side Driver Output (Bottom Gate)	BG	15 V	−0.3 V −2 V for < 200 ns
  Feedback	FB	5.5 V	−0.3 V
  COMP/DISABLE	COMP/DIS	5.5 V	−0.3 V

• 最大额定值：包括热阻、工作温度范围等参数，如热阻方面，结到环境为165°C/W，结到外壳为45°C/W；工作结温范围为 - 40°C到150°C，工作环境温度范围为 - 40°C到85°C等。

电气特性

在特定的温度和电压条件下，NCP158x系列具有一系列电气特性，如输入电压范围、振荡器频率、误差放大器参数、软启动电流等。这些参数是我们进行电路设计和性能评估的关键依据。例如，振荡器频率方面，NCP1582和NCP1582A在特定温度范围内典型值为350kHz，NCP1583典型值为300kHz。

三、详细工作原理

占空比和最大脉冲宽度限制

在稳态直流运行时，占空比会稳定在一个由输入输出电压比决定的工作点上，NCP158x系列最大占空比可达80%。内置的关断时间可以确保每个周期内自举电源都能充电。该系列还能实现100ns的最小脉冲宽度，比如在350kHz的频率下可实现12V到0.8V的转换。这在实际设计中，对于实现高效的电源转换有着重要意义。

输入电压范围

(V_{CC})和BST的输入电压范围分别相对于GND和PHASE为4.5V到13.2V，不过BST相对于GND可承受高达26.5V的电压。这使得它在不同的电源输入情况下都能稳定工作。

外部使能/禁用

当Comp引脚电压降至或被外部拉低至400mV阈值以下时，会禁用PWM逻辑和栅极驱动输出。在禁用模式下，误差放大器的输出源电流会降低并限制为10μA的软启动电流。这一功能为系统的控制提供了更多的灵活性，大家在设计时可以根据实际需求合理利用。

正常关机行为

当输入电源达到UVLO阈值时，芯片会停止开关操作，进入正常关机状态。此时，开关停止，内部软启动电容放电，所有栅极引脚变为低电平，开关节点进入高阻抗状态，输出电容通过负载放电，输出电压无振铃现象。这保证了系统在电压过低时能够安全稳定地关机。

外部软启动

NCP158x系列具有外部软启动功能，可降低浪涌电流和输出电压过冲。它通过内部10μA（典型值）的电流源对跨导放大器的外部积分电容充电来实现。在软启动过程中，当Comp引脚电压上升到400mV时，PWM逻辑和栅极驱动被启用；当反馈电压超过800mV时，误差放大器将切换到更高的调节模式输出电流。若在软启动期间发生过流情况，过流逻辑将覆盖软启动序列，关闭PWM逻辑和高低侧栅极。在实际应用中，软启动功能可以保护电路元件，延长其使用寿命，大家一定要重视。

UVLO（欠压锁定）

为了确保当(V{CC})过低而无法支持内部电源轨和为转换器供电时，芯片不会出现意外行为，NCP158x系列设置了UVLO。当(V{CC})达到4.2V时，芯片启动；当(V_{CC})降至3.7V以下时，芯片关闭。这样就能保证在从5.0V输入电压转换时正常工作。

电流限制保护

在短路或过载情况下，低侧FET会传导大电流，此时控制器会关闭调节器以进行过流保护。通过比较BG开始变低时Phase节点的电压与内部产生的固定电压来实现低侧(R_{DSon})检测。如果Phase电压低于SCP跳闸电压，则触发过流条件并启动计数器，计数器完成后，PWM逻辑和高低侧FET会关闭。控制器会通过软启动周期重试，看短路或过载条件是否已消除。低侧FET的最小导通时间设置为500ns，跳闸阈值有 - 95mV到 + 45mV的工艺和温度变化。这一保护机制大大提高了系统的可靠性，大家在设计电路时可以更加放心。

驱动器

NCP158x系列包含0.7A栅极驱动器，用于切换外部N沟道MOSFET，可满足高功率和低功率转换需求。栅极驱动器还包括自适应非重叠电路，通过最小化体二极管导通时间来提高效率，减少功耗。不过，要实现板载驱动器的全部优势，需要仔细选择和布局外部元件，如(V_{CC})和GND之间、BST和SWN之间的电容要尽可能靠近芯片，TG和BG连接的电流路径要优化，同时要设置接地平面以减少栅极驱动电路的环路面积和电感。

四、应用设计要点

输入电容选择

输入电容要能承受上MOSFET导通期间产生的纹波电流，因此需要低ESR以最小化损耗。纹波电流的RMS值可通过公式(I{in RMS} = I{OUT} sqrt{D times(1 - D)})计算，其中D为占空比，(I{in RMS})为输入RMS电流，(I{OUT})为负载电流。输入电容的损耗可通过(P{CIN} = ESR{CIN} × I_{in RMS }^{2})计算。由于输入电容上有较大的(dI / dt)，应使用电解电容或陶瓷电容，若使用钽电容则必须进行浪涌保护，否则可能导致电容故障。大家在选择输入电容时，一定要根据实际的电路参数进行计算和选择。

输入启动电流计算

输入启动电流可通过公式(I{inrush} =frac{C{OUT} × V{OUT }}{t{SS}})计算，其中(I{inrush})为启动期间的输入电流，(C{OUT})为总输出电容，(V{OUT})为期望输出电压，(t{SS})为软启动间隔。如果启动电流高于最大负载时的稳态输入电流，使用输入保险丝时应相应选择合适的额定值。

软启动时间计算

软启动时间可通过公式(t{SS} =frac{(C{P}+C{C}) * Delta V}{I{SS}})计算，其中(C{C})为补偿和软启动电容，(C{P})为形成第二个极点的附加电容，(I_{SS})为软启动电流，(Delta V)为Comp电压从零到达到调节值的变化量。这个计算考虑了Comp电压上升到输出电压有效之间的延迟。若要计算输出电压上升到达到调节值的时间，(Delta V)为Comp电压达到调节值与1.1V之间的差值。

输出电容选择

输出电容是电源快速响应的基本元件，在负载瞬变的最初几微秒内为负载提供电流。负载瞬变时，输出电压的初始下降是由于电容内部电流变化和ESR引起的，电压偏差(Delta V{OUT - ESR} =Delta I{OUT } × ESR{COUT})，其中(Delta V{OUT - ESR})为(V{OUT })因ESR产生的电压偏差，(ESR{COUT})为输出电容的总有效串联电阻。同时，还需要一个最小电容值来维持负载瞬变期间的电流而不使其放电，放电引起的电压降(Delta V{OUT - DISCHARGE} =frac{Delta I{OUT }^{2} × L{OUT }}{2 × C{OUT} times(V{IN} × D - V{OUT })})，其中(Delta V{OUT - DISCHARGE})为(V{OUT })因放电产生的电压偏差，(L{OUT})为输出电感值，(V{IN})为输入电压。需要注意的是，(Delta V{OUT - DISCHARGE})和(Delta V{OUT - ESR})相位不同，两者中较大的值将决定输出电压的最大偏差（忽略ESL的影响）。

电感选择

输出电感的选择需要考虑机械和电气两方面因素。从机械角度看，较小的电感值通常对应较小的物理尺寸，在空间受限的应用中，选择最小电感值尤为重要。从电气角度看，降压调节器输出电感的最大电流斜率为(SlewRate{LOUT} =frac{V{IN } - V{OUT }}{ L{OUT }})，较大的电感值会限制调节器在输出负载瞬变时通过输出电感的电流斜率，因此需要更大的输出电容来维持输出电压的稳定；而较小的电感值会增加调节器的最大可实现电流斜率，减少所需的电容值，但会导致纹波电流增大。输出电感的峰 - 峰纹波电流为(I{pk - pkLOUT} =frac{V{OUT }(1 - D)}{ L_{OUT } × 350 kHz})，这体现了动态响应和纹波电流之间的权衡。大家在选择电感时，要根据实际的电路需求和性能要求进行综合考虑。

反馈和补偿

NCP158x系列可通过外部电阻分压器网络将DC - DC转换器的输出电压从0.8V调整到5.0V。控制器会尝试在反馈引脚维持0.8V的电压，因此通过在反馈引脚和(V{OUT })之间连接电阻分压器电路，控制器会根据电阻分压器网络按比例调节输出电压。电阻R1的选择需要在效率和输出电压精度之间进行权衡，较高的R1值会减少反馈网络的电流消耗，但会因误差放大器的偏置电流影响输出电压精度，偏置电流引起的输出电压误差可通过公式(Error %=frac{0.1 mu A × R{1}}{V{REF}} × 100 %)估算。确定R1后，可计算出R2。补偿网络由内部误差放大器和阻抗网络(Z{IN}(R{1}, R{2}))、外部(Z{FB}(R{c}, C{c}))和(C{p})组成，其作用是提供一个具有最高0dB交叉频率（但始终低于FSW/8）的闭环传递函数，以实现快速响应，并在直流条件下具有最高增益，以最小化负载调节。稳定的控制环要求增益交叉斜率为 - 20dB/decade，相位裕度大于45°，在确定相位裕度时要考虑最坏情况下的元件变化。环路稳定性由EOTA周围的补偿网络、输出电容、输出电感和输出分压器决定。

热考虑

NCP158x系列的功率损耗随所使用的MOSFET、(V{CC})和升压电压（(V{BST})）而变化，平均MOSFET栅极电流通常是控制IC功率损耗的主要因素。IC的功率损耗可通过公式(P{IC}=(I{CC} cdot V{CC}) + P{TG} + P{BG})计算，其中(P{IC})为控制IC功率损耗，(I{CC})为IC测量的电源电流，(V{CC})为IC电源电压，(P{TG})为顶部栅极驱动器损耗，(P{BG})为底部栅极驱动器损耗。顶部MOSFET栅极驱动器损耗(P{TG} = Q{TG} cdot f{SW} cdot V{BST})，其中(Q{TG})为在(V{BST})下的总上部MOSFET栅极电荷，(f{SW})为开关频率，(V{BST})为BST引脚电压；底部MOSFET栅极驱动器损耗同理。控制IC的结温可通过公式(T{J}=T{A}+P{IC} cdot theta{JA})计算，其中(T{J})为IC的结温，(T{A})为环境温度，(theta_{JA})为IC封装的结到环境热阻。不过需要注意的是，电路板的物理布局、其他热源（如MOSFET和电感）的接近程度以及连接到IC的金属量都会影响器件的温度，实际应用中应进行测量。

布局考虑

在任何高频开关转换器中，布局都非常重要。一个功率器件到另一个功率器件的开关电流会在互连键合线和电路走线的阻抗上产生电压瞬变，因此应使用宽而短的印刷电路走线来最小化这些互连阻抗。关键元件应尽可能靠近放置，可采用接地平面结构或单点接地。为了最小化电压过冲，粗线所示的互连导线应作为印刷电路板中的接地或电源平面的一部分。建议将NCP158x放置在距离MOSFET（Q1和Q2）1英寸以内，MOSFET的栅极和源极与NCP158x的电路走线应能承受高达2A的峰值电流。

五、总结

NCP158x系列低电压同步降压控制器具有众多优秀的特性和丰富的功能，适用于多种电源应用场景。在设计过程中，我们需要深入理解其引脚功能、工作原理和应用设计要点，合理选择外部元件，优化电路布局，以充分发挥其性能优势。大家在实际使用中遇到什么问题或者有什么新的发现，欢迎在评论区交流分享。希望今天的