Onsemi NCP1593A/B同步降压调节器：设计与应用解析

在电子设计领域，电源管理芯片的性能和特性对于整个系统的稳定性和效率至关重要。今天我们要深入探讨的是Onsemi公司的NCP1593A和NCP1593B同步降压调节器，这两款芯片在众多应用场景中展现出了卓越的性能。

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芯片概述

NCP1593是一款固定1MHz、高输出电流的同步PWM转换器，它集成了低电阻的高端P沟道MOSFET和低端N沟道MOSFET。该芯片采用内部补偿电流模式控制，能够提供良好的瞬态响应、易于实现的设计以及出色的环路稳定性。其输入电压范围为4.0V至5.5V，可将电压调节至低至0.6V的输出电压，并且能够提供高达3A的负载电流。

主要特性

• 宽输入电压范围：4.0V至5.5V，适应多种电源环境。
• 集成MOSFET：内部集成90mΩ高端P沟道MOSFET和60mΩ低端N沟道MOSFET，降低了外部元件的需求。
• 固定开关频率：1MHz的固定开关频率，便于设计和优化。
• 丰富的保护功能：包括逐周期电流限制、打嗝模式短路保护、过温保护、内部软启动等，提高了系统的可靠性。
• 100%占空比操作：可延长电池寿命。
• 可调输出电压：输出电压可低至0.6V，满足不同应用的需求。

引脚描述与应用电路

引脚描述

芯片的引脚具有不同的功能，例如LX引脚是内部MOSFET的漏极，输出电感应连接到该引脚；反馈输入引脚用于误差放大器，通过连接电阻分压器来调节输出电压等。

应用电路

推荐的应用电路展示了如何正确连接芯片和外部元件，以实现稳定的电压调节。在实际设计中，需要根据具体的应用需求和参数进行合理的元件选择和布局。

电气特性

输入输出参数

• 输入电压范围：4.0V至5.5V。
• 输出电压：可低至0.6V，通过电阻分压器进行调节。
• 静态电流：VCC静态电流为1.0 - 1.5mA，VCCP静态电流为20 - 50μA，关断电源电流为1.8 - 3.0μA。

开关特性

• 开关频率：固定为1MHz，误差范围在±13%以内。
• 最大占空比：调节模式下为95%，LDO模式下为100%。
• 最小可控导通时间：35ns。

保护特性

• 过流保护：当高端开关电流超过阈值连续7个开关周期时，触发过流保护，进入打嗝模式。
• 欠压锁定：防止输入电压过低时芯片误操作，具有滞回特性。
• 热关断：当结温超过185°C时，芯片自动关闭，结温下降30°C后可重新启动。

典型特性曲线

文档中提供了一系列典型特性曲线，包括效率与输出电流的关系、负载调节特性、电流限制与温度和输入电压的关系等。这些曲线对于工程师在设计过程中评估芯片的性能和优化电路参数非常有帮助。例如，通过效率曲线可以选择合适的工作点，以提高系统的效率；通过负载调节曲线可以了解芯片在不同负载下的输出电压稳定性。

详细工作原理

参考电压

芯片内部集成了高精度的参考电压，允许输出电压低至0.6V，并且在整个工作温度范围内保证了参考电压的精度。

振荡器频率

固定精度的振荡器提供1MHz的开关频率，频率变化范围为±13%。

跨导误差放大器

其主要功能是通过连接在转换器输出和控制器FB引脚之间的电阻分压器来调节输出电压。当出现故障时，放大器输出立即拉至地，PWM开关被禁止。

软启动

为了限制启动时的浪涌电流，软启动电路将参考电压从0V线性上升到最终值。软启动时间内部设定为典型值500μs，也可以通过在SS引脚和地之间添加电容进行外部调整。

脉冲宽度调制

高速PWM比较器能够实现低至35ns的脉冲宽度。在每个PWM周期开始时，CLK信号置位PWM触发器，使高端MOSFET导通；当电流检测信号超过误差放大器的电压时，比较器复位PWM触发器，高端MOSFET关断。

电流检测

芯片监测高端MOSFET中的电流，该电流信号用于PWM比较器和逐周期电流限制器。

保护功能

欠压锁定（UVLO）

当输入电压过低时，该功能防止芯片开关，并且具有滞回特性，避免在电源启动或关闭时因布线或PCB走线的电阻压降导致芯片频繁开关。

过流保护（OCP）

检测高端开关电流，当超过阈值连续7个开关周期时，触发过流保护，进入打嗝模式。打嗝模式可以减少短路时的输入电源电流和功耗，并且在短路故障消除后允许自动重启。

预偏置启动

支持在输出电容已有一定电荷的情况下启动，通过延迟开关操作，直到软启动斜坡达到FB引脚电压。

电源良好（Power Good）

这是一个开漏输出，需要上拉电阻。在软启动、待机和关断状态下，该引脚被拉低；当FB电压和输出电压上升到标称调节点的90%以上时，引脚释放；当FB电压下降到调节点的85%以下时，引脚再次拉低。

热关断

内部热监测电路保护芯片免受过温损坏，当结温超过热关断阈值时，上下MOSFET均关闭。

应用信息

输出电压编程

通过连接在输出电压和FB引脚之间的电阻分压器来设置输出电压，计算公式为 (V{out }=V{FB} cdot frac{R{1}+R{2}}{R_{2}}) 。

电感选择

电感是开关调节器的关键元件，其选择需要在尺寸、成本和效率之间进行权衡。电感值可根据公式 (L=frac{V{out }}{f cdot I{ripple }} cdotleft(1-frac{V{out }}{V{in (max )}}right)) 计算，其中 (I_{ripple }) 通常为输出电流的20% - 30%。同时，电感的RMS电流额定值应大于最大负载电流，饱和电流应比最大负载电流高约30%。

输出电容选择

输出电容用于平滑直流输出电压和提供能量存储。最小电容值可根据公式 (C{OUT (min )}=frac{I{ripple }}{8 cdot f cdot V{ripple }}) 计算，所需的ESR可根据公式 (ESR=frac{V{ripple }}{I_{ripple }}) 计算。在大多数应用中，可以使用陶瓷电容，也可以使用表面贴装钽电容和通孔铝电解电容。

输入电容选择

输入电容可根据公式 (C{in(min )}=I{out (max )} cdot D{max } cdot frac{1}{f cdot V{in(ripple) }}) 计算，其中 (D{max }=frac{V{out }}{V_{in(min )}}) 是最大占空比。

功率耗散

芯片的功率耗散包括电源电流耗散、内部功率MOSFET开关耗散和通过内部功率MOSFET的RMS电流耗散。需要确保总功率耗散不超过芯片的绝对最大额定值，以避免结温过高。可以通过公式计算各部分的功率耗散，并根据热阻计算结温。

布局考虑

在布局设计时，需要注意以下几点：

• 高速开关电流路径应尽可能短，以减少寄生电感和辐射噪声。
• FB元件应远离开关节点，其接地应与开关电流路径分开，以避免稳定性问题。
• 增加暴露焊盘周围的铜面积和热过孔，以降低热阻，提高芯片的功率能力。

总结

Onsemi的NCP1593A和NCP1593B同步降压调节器具有高性能、高可靠性和丰富的保护功能，适用于多种应用场景，如机顶盒、DVD驱动器、LCD显示器和电视、电缆调制解调器、USB调制解调器以及电信/网络/数据通信设备等。在设计过程中，工程师需要根据具体的应用需求，合理选择外部元件，优化布局，以充分发挥芯片的性能。你在使用这款芯片的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。