探索NCP10970：高压开关与线性调节输出的完美结合

在电子设计领域，一款性能卓越的芯片往往能为产品带来质的飞跃。今天，我们就来深入了解安森美（onsemi）推出的NCP10970，一款集高压开关、线性调节器和专用比较器电路于一体的芯片。

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芯片概述

NCP10970是一款功能强大的芯片，它包含高压开关、线性调节器和专用比较器电路。开关适用于构建高达16V的输出电压（可通过FB引脚的电阻分压器调节），并具备短路保护功能。其内部专用电路可防止连续导通模式（CCM）运行，提高了浪涌鲁棒性、效率和电磁兼容性（EMI）。在空载/轻载条件下，芯片进入跳周期操作，确保低待机功耗。

芯片特性

强大的硬件配置

• 内置670V、18Ω $R_{DS(on)}$ 横向MOSFET：为高压开关提供了坚实的基础，能够承受较高的电压和电流。
• 高压启动电流源：确保芯片在启动时能够快速稳定地工作。
• 固定频率DCM电流模式控制方案：实现了精确的电流控制，提高了效率。
• 去磁检测确保仅DCM操作：避免了连续导通模式，减少了能量损耗。
• 短路保护开关输出及自动恢复功能：增强了芯片的可靠性，当出现短路时能够自动恢复。
• 4ms软启动：减少了启动时的冲击，保护了电路元件。
• 内部线性调节器及短路保护输出：提供稳定的输出电压，并具备短路保护功能。
• 内部比较器及开漏输出：方便与其他电路进行连接和控制。
• 内部热关断：防止芯片因过热而损坏。
• 16引脚SO封装及爬电距离：便于安装和使用，同时保证了电气安全。
• 无铅器件：符合环保要求。

典型应用广泛

NCP10970适用于多种应用场景，如智能照明应用的电源管理、白色家电和物联网应用等。

引脚功能详解

引脚编号	引脚名称	功能	描述
1	SOURCE	开关接地	连接到降压源/电感器结点，为开关电路接地，晶体管的散热通过此引脚传导。
2	VCC	为开关部分供电	开关 $V_{CC}$ 电压最高可达20V。
3	DMG	去磁检测	监测电感器的磁活动。
4	FB	反馈引脚	通过电阻分压器感应输出电压。
5	COMP	环路补偿	误差放大器的输出在此引脚，连接此引脚和地的网络可调节控制环路带宽。
6	NC	未连接引脚	用于高电压和低电压引脚之间的更好隔离。
7	INT	中间降压点	用于生成原始直流电压的输入。
8	VCCLV	为低压部分供电	$V_{CCLV}$ 电压为MOSFET驱动器、比较器和LDO电路提供偏置。
9	CMPOUT	比较器输出	内部比较器的开漏输出引脚，当CMPIN超过1V时，此引脚被拉低。
10	STBY	待机引脚	影响比较器的速度和IC的功耗。待机模式（引脚接地） - 比较器速度慢；活动模式（引脚电压 > 3V） - 比较器速度快。
11	LDOOUT	LDO输出	短路保护的3.3V或5V电源轨。
12	VRAW	中间母线轨	驱动LDO的原始电压。
13	CMPIN	比较器输入	内部比较器的输入，内部由120μA电流源偏置。
14	GND	低压部分接地
15			爬电距离。
16	DRAIN	漏极连接	连接到横向MOSFET的漏极。

电气特性分析

高压开关部分

• 电源管理：$V{CC(on)}$ 为开关开始工作的 $V{CC}$ 上升电平，典型值为8.4V；$V{CC(min)}$ 为高压电流源重启的 $V{CC}$ 下降电平，典型值为7.4V；$V{CC(off)}$ 为开关停止工作的 $V{CC}$ 下降电平，典型值为7.0V。
• 功率开关电路：$R{DS(on)}$ 在 $T{J}=25^{circ}C$ 时为18Ω，$T{J}=125^{circ}C$ 时为33Ω；$BV{pss}$ 为功率开关电路和启动击穿电压，典型值为670V。
• 内部启动电流源：$I{start1}$ 在 $V{CC}=V{CC(on)} – 200mV$ 时，典型值为8mA；$I{start2}$ 在 $V_{CC}=0V$ 时，典型值为0.4mA。
• 电流比较器：$I{PK}$ 最大内部电流设定点在 $T{J}=25^{circ}C$ 时，典型值为350mA。
• 内部振荡器：振荡频率 $f{OSC}$ 在 $T{J}=25^{circ}C$ 时，典型值为65kHz。

低压部分

• 电源部分：$V{CCLV(on)}$ 为激活内部开关的 $V{CCLV}$ 上升电平，典型值为8.4V；$V{CCLV(Hyst)}$ 为停用的 $V{CCLV}$ 滞后，典型值为4.7V。
• 原始电压生成：内部MOSFET的 $R_{DS(on)}$ 在不同温度和电流条件下有不同的值。
• 低压差调节器：输出电流能力典型值为100mA，输出电压精度在不同版本和条件下有具体要求。
• 比较器：$V{CMP(on)}$ 为激活比较器的 $V{CCLV}$ 上升电平，典型值为4.4V；$V{CMP(Hyst)}$ 为停用的 $V{CCLV}$ 滞后，典型值为0.6V。

典型特性展示

文档中提供了多个典型特性图，展示了高压开关和低压部分的各种参数随温度的变化情况，如 $V{CC(on)}$ 、$V{CC(min)}$ 、$I_{CC1}$ 等与温度的关系。这些特性图有助于工程师更好地了解芯片在不同温度下的性能表现，从而进行更合理的设计。

应用信息解读

工作模式

• 电流模式操作与去磁检测：高压开关采用固定频率电流模式控制架构，DMG引脚永久监测电感器的磁活动，防止进入连续导通模式。
• 670V MOSFET：开关包含一个高压低功耗MOSFET，其散热通过SOURCE引脚传导。
• 动态自供电：内部高压启动电流源可在无辅助绕组提供电源电压或低输出电压的应用中使用。
• 短路保护：永久监测COMP引脚活动，检测到短路时立即降低输出功率，进入安全的自动恢复突发模式。
• 内置 $V_{CC}$ 过压保护：监测VCC引脚电压，超过 $V{OVP}$ 时停止开关，等待 $t{recovery}$ 后尝试重启。
• 软启动：4ms软启动斜坡确保平滑启动序列，减少输出过冲。
• 电流控制：通过观察COMP引脚控制电流峰值，根据负载条件调整开关频率。
• 跳周期操作：在输出功率需求减少时，通过跳过不必要的开关周期，提高轻载效率。
• 集成线性调节器：提供3.3V或5V的短路保护输出电压，效率高且静态电流低。
• 比较器电路：可用于过温检测，CMPIN引脚由精确恒流源偏置，连接下拉PTC热敏电阻可在温度失控时输出低信号。
• 待机电路：影响比较器速度和低压部分的电流消耗，STBY引脚接地进入待机模式，电压 > 3V进入活动模式。

启动序列

• 开关启动：启动时，开关的电源电压由内部高压启动电流源创建。当DRAIN引脚电压高于 $V{HV(min)}$ 时，启动电流源为连接到VCC引脚的 $C{VCC}$ 电容充电。当VCC电压达到 $V_{CC(on)}$ 时，电流源关闭，开关晶体管的内部DRV脉冲被授权。
• 低压部分启动：当 $V{CC}$ 达到 $V{CC(on)}$ 时，开关开始切换，输出电压上升。当 $V{CCLV}$ 达到 $V{CCLV(on)}$ 时，开关 $SW{INT}$ 激活，将 $V{RAW}$ 电压升至标称值。LDO输出电压在 $V_{RAW}$ 达到标称值后上升。

稳态和瞬态操作

在稳态操作中，开关 $SW_{INT}$ 切换为LDO供电。在瞬态状态下，开关 $SWVCCLV$ 可从连接到开关输出轨的输出电容为LDO供电。

掉电操作

当输入HV电压断开时，LDO的能量通过VCCLV开关从开关输出电压轨的电容传输。

总结

NCP10970是一款功能丰富、性能卓越的芯片，适用于多种电源管理应用。其强大的硬件配置、完善的保护功能和灵活的工作模式，为工程师提供了更多的设计选择。在实际应用中，工程师可以根据具体需求，合理利用芯片的特性，设计出高效、稳定的电源电路。你在使用类似芯片时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。