汽车安全应用的多输出电源管理IC：NCV97400

一、引言

在汽车电子领域，尤其是先进驾驶辅助系统（ADAS）等安全应用中，可靠且高效的电源管理至关重要。onsemi推出的NCV97400多输出电源管理IC（PMIC），为汽车安全应用提供了全面的解决方案。本文将详细介绍NCV97400的特点、性能以及应用信息，帮助电子工程师更好地了解和应用这款产品。

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二、产品概述

2.1 基本功能

NCV97400是一款4输出单片调节器，包含3个降压调节器和1个升压调节器，具备监控功能，包括对所有输出的窗口电压监控和窗口看门狗定时器。它采用独立的电压参考和可调的独立振荡器来实现监控功能，非常适合ADAS等汽车安全应用。

2.2 输出特点

• 主降压调节器：一个40V非同步降压调节器将电池电源电压转换为3.3V输出，峰值电流可达3A。该输出轨可作为两个同步次级降压转换器和非同步次级升压转换器的输入电压。
• 次级降压调节器：两个次级降压转换器输出电压可调，范围为2.5V至0.8V，峰值电流限制为2A，可由最高3.6V的单独电源供电。
• 升压调节器：次级升压输出电压固定为5.0V，用于为车载网络电路（IVN）提供低电流电源。

2.3 内部结构

所有内部MOSFET均为N沟道器件，采用自举电路驱动高端MOSFET。4个开关模式电源（SMPS）输出均采用峰值电流模式控制，并带有内部斜率补偿。此外，IC还集成了一个内部调节器，为低压栅极驱动器提供电荷。

三、产品特性

3.1 电压选项

• 3个启用的降压转换器和1个用于IVN电源的升压转换器。
• 输入电压范围宽，为4.1V至40V，并具有欠压锁定（UVLO）功能。
• 固定的2MHz基本开关频率，采用伪随机扩频技术以改善电磁干扰（EMI）性能。

3.2 监控与保护

• 带有独立参考的窗口看门狗定时器，可监控来自微控制器的看门狗信号。
• 逐周期电流限制保护，可保护电感和下游组件。
• 具备过压和欠压监控功能，可在输入电压异常时采取相应措施。

3.3 其他特性

• 支持外部频率同步，可将IC的开关频率与外部时钟信号同步。
• 采用QFN封装，引脚边缘有可焊侧翼，符合AEC - Q100标准，适用于汽车及其他对安全性要求较高的应用。
• 无铅和无卤设计，符合环保要求。

四、电气特性

4.1 静态电流

在关机模式下，静态电流较低，典型值为5μA，最大值为10μA。

4.2 电压阈值

• 欠压锁定（UVLO）启动阈值为4.45V至4.85V，停止阈值为3.7V至4.1V，具有0.75V的滞后。
• 过压关机阈值为37V至40V，启动阈值为34V，具有0.6V至2.7V的滞后。

4.3 开关频率

• 基本开关频率为2.0MHz，在不同输入电压下会有一定的波动范围。
• 支持频率折返功能，在高输入电压或输出过载时，开关频率会自动调整。

4.4 输出电压

• 开关器1输出电压为3.3V，精度为±0.07V。
• 开关器2和3的反馈引脚电压在调节期间为0.786V至0.814V。
• 开关器4输出电压为5.0V，精度为±0.1V。

五、应用信息

5.1 输入电压

NCV97400的主电源输入为VBAT引脚，电压范围为4.1V至37V。当电压低于4.1V时，欠压锁定电路会抑制所有开关操作并重置软启动电路；当电压高于40V时，过压关机电路会抑制所有开关操作，使IC能够承受45V的负载突降情况。当VBAT降至34V以下时，IC恢复正常工作。

5.2 使能与软启动

• 通过将主使能（EN）引脚连接到GND，可将NCV97400完全禁用（关机模式），此时所有输出停止，内部电流消耗降至10μA以下。
• 当EN引脚接收到大于2V的输入时，开关器1开始软启动，通常在1.4ms内升至3.3V。开关器1软启动完成后，开关器4（升压调节器）开始软启动并升至5.0V。
• 开关器2和3各有一个专用的使能输入引脚，在主使能激活后短时间内可激活。

5.3 振荡器与频率调节

• 4个开关调节器共享同一个振荡器，默认工作频率为2.0MHz，并采用伪随机扩频技术。
• 可通过外部同步输入引脚SYNCI控制开关频率，同步后扩频功能将被禁用。
• 具备最大占空比折返和高压频率折返机制，以适应不同的工作条件。

5.4 扩频与EMI抑制

• 内置扩频功能，可降低开关调节器的峰值电磁辐射。通过伪随机发生器在基本频率和最大扩频频率之间切换振荡器频率，使能量均匀分布在更宽的频段内，从而降低基频处的峰值能量。
• 建议使用输入滤波器进一步降低开关重负载时的电磁辐射。

5.5 电流限制与短路保护

• 每个开关调节器都有峰值电流限制，以保护电感和下游组件。当达到峰值电流限制时，开关在该周期内关闭，并在下一周期开始时重新开启。
• 在严重输出过载或短路情况下，主调节器（开关器1）会自动降低开关频率并进入模拟折返模式，以限制输出组件的功率。如果过载或短路情况持续，调节器可能会进入自动恢复突发模式（打嗝模式）进行自我保护。

5.6 外部频率同步

NCV97400可与外部时钟信号同步。SYNCI引脚在正常操作时用作同步输入，在启动、关机、过压和其他瞬态条件下被忽略。当开关频率由SYNCI输入控制时，同步在软启动完成后2ms内开始。

5.7 复位与延迟

当VOUTx引脚（或SW2和SW3的FBxSNS引脚）的电压低于或高于复位阈值时，相应的开漏输出RSTBx会被拉低。所有RSTBx输出在VBAT过压、欠压故障和热关断时也会被拉低。RSTB信号可作为带延迟的复位信号或电源正常信号使用，延迟时间可通过连接到RSTBx引脚的电阻来设置。

5.8 功能安全

• 采用两个独立的带隙基准源，分别用于内部电源和输出调节以及作为安全机制的参考。
• 每个输出电压都有独立的窗口电压监控电路，可监控过压和欠压情况。
• 包含窗口看门狗功能，可监控来自微控制器的看门狗信号，确保系统的安全性。

六、各开关器详细分析

6.1 开关器1

• 输出电压：主直流 - 直流输出为3.3V，由内部电阻分压器设置。
• 误差放大器：采用跨导型误差放大器，通过控制误差放大器的输出电压来调节功率开关的关断电感峰值电流。
• 斜率补偿：内部生成固定的斜率补偿信号，以避免在占空比高于50%时出现电感纹波电流分叉导致的输出电压纹波增加。
• 驱动与自举：DRV1引脚的内部调节器为外部电容提供接地参考电压，以快速充电外部自举电容，为功率开关栅极驱动器供电。
• 软启动：使能或从故障状态恢复后，软启动电路将开关调节器误差放大器参考电压斜坡上升至最终值。
• 电流限制：由于电感电流的纹波，降压转换器的平均输出电流低于调节器的峰值电流设定点。
• 高压频率折返：当输入电压超过VBAT频率折返阈值时，开关频率降低一半，以减少功率损耗。
• 电感选择：建议使用3.3μH的电感，在某些应用中，2.2μH至4.7μH的电感可能会提供更优化的性能。

6.2 开关器2和3

• 输出电压：输出电压可调，最低可降至0.8V，可通过外部电阻分压器设置。
• 误差放大器：采用电压型误差放大器，补偿电路内部固定，不可调节。
• 斜率补偿：内部生成固定的斜率补偿信号，以避免电感纹波电流分叉导致的输出电压纹波增加。
• 自举：内部高端FET栅极驱动器为低电压，BST2和BST3通过内部二极管连接到VOUT1引脚。
• 软启动：使能或从故障状态恢复后，软启动电路将开关调节器误差放大器参考电压斜坡上升至最终值，典型软启动时间为1.4ms。
• 电流限制：由于电感电流的纹波，降压转换器的平均输出电流低于调节器的峰值电流设定点。
• 输出电压选择：可通过外部电阻分压器设置输出电压，反馈参考电压为0.8V。
• 电感选择：根据输出电压，默认推荐不同的电感值，也可根据公式计算选择合适的电感。
• 噪声性能：对于重负载情况，建议使用缓冲电路以改善噪声性能。

6.3 开关器4

• 输出电压：将开关器1的3.3V升压至5.0V，用于车载网络，可提供高达250mA的直流电流。
• 误差放大器：采用电压型误差放大器，补偿电路内部固定，不可调节。
• 软启动：开关器1软启动完成且输出稳定后，开关器4自动启用，软启动电路将误差放大器参考电压斜坡上升至最终值。
• 电流限制：由于电感电流的纹波，升压转换器的平均输出电流低于调节器的峰值电流设定点。

七、机械封装与尺寸

NCV97400采用QFNW32 5x5, 0.5P封装，详细的封装尺寸和标记信息可参考数据手册。同时，对于焊接和安装技术，可下载ON Semiconductor的《Soldering and Mounting Techniques Reference Manual》获取更多信息。

八、总结

NCV97400作为一款专为汽车安全应用设计的多输出电源管理IC，具有丰富的功能和出色的性能。其多输出设计、监控与保护功能、频率调节和扩频技术等特点，使其能够满足ADAS等汽车应用对电源管理的严格要求。电子工程师在设计汽车电子系统时，可以充分利用NCV97400的优势，提高系统的可靠性和安全性。在实际应用中，工程师还需要根据具体的设计需求，合理选择电感、电阻等外部组件，以优化电路性能。大家在使用过程中，有没有遇到过类似电源管理IC的实际应用难题呢？欢迎在评论区分享交流。