深入解析 NCP1422 升压转换器：性能、特性与应用指南

在电池供电的手持电子产品设计中，电源管理芯片的性能至关重要。onsemi 的 NCP1422 升压转换器就是一款专为这类产品设计的高性能芯片，它能满足高达 800 mA 负载的需求。下面我们就来详细了解一下这款芯片。

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一、NCP1422 概述

NCP1422 是一款单片微功率高频升压开关转换器 IC，专为电池供电的手持电子产品设计，最大负载可达 800 mA。它集成了同步整流器（Sync - Rect），提高了效率并省去了外部肖特基二极管。高开关频率（最高达 1.2 MHz）允许使用低剖面、小尺寸的电感器和输出电容器。此外，它还具备真正关断（True - Cutoff）功能，能将关断电流降至仅 50 nA，同时集成了振铃抑制器（Ring - Killer），可消除不连续传导模式下的高频振铃。

二、主要特性

2.1 高效性能

在不同输入输出条件下展现出高转换效率，如在 2.5 V 输入、200 mA 负载时，3.3 V 输出效率可达 94%；在 2.5 V 输入、500 mA 负载时，3.3 V 输出效率为 88%。这对于电池供电设备来说，能有效延长电池续航时间。

2.2 高开关频率

最高可达 1.2 MHz（未达到电流限制时），使得可以使用低剖面、小尺寸的电感和输出电容，有助于减小产品体积。

2.3 大输出电流

在 (V{IN}=2.5 V) 和 (V{OUT }=3.3 V) 条件下，输出电流可达 800 mA，能满足大多数手持设备的功率需求。

2.4 真正关断功能

可将设备关断电流典型值降低至 50 nA，大大减少了电池在关机状态下的耗电。

2.5 振铃抑制

集成的 Ring - Killer 可消除不连续传导模式下的高频振铃，提高了电源的稳定性。

2.6 高精度参考输出

参考输出电压为 1.20 V（±1.5% @ 25°C），当 (V_{OUT }>3.3 V) 时，可提供 2.5 mA 的负载电流。

2.7 低静态电流

仅 8.5 μA 的静态电流，进一步降低了功耗。

2.8 其他特性

还具备集成的低电池检测器、开漏低电池检测器输出、1.0 V 无负载启动保证、输出电压从 1.5 V 到 5.0 V 可调、1.5 A 逐周期电流限制、多功能逻辑控制关断引脚以及带滞后的片上热关断等功能。

三、典型应用

NCP1422 适用于多种电池供电的手持设备，如个人数字助理（PDA）、手持数字音频产品、摄像机和数码相机、手持仪器等。此外，它还可用于将一到两节碱性、镍氢、镍镉电池转换为 3.0 - 5.0 V，或将一节锂离子电池转换为 5.0 V，以及数码相机的白色 LED 闪光灯供电。

四、引脚功能描述

符号	引脚	描述
FB	1	输出电压反馈输入
LBI/EN	2	低电池检测器输入和 IC 使能，拉低至 0.5 V 以下时，设备禁用
LBO	3	开漏低电池检测器输出，当 (V_{LBI}) < 1.20 V 时输出低电平，关断模式下为高阻抗
NC	4	无连接引脚
REF	5	1.20 V 参考电压输出，需用 300 nF 电容旁路；若加载，需用 1.0 μF 电容，在 (V_{OUT }=3.3 V) 时可加载至 2.5 mA
BAT	6	内部振铃抑制器的电池输入连接
GND	7	接地
LX	8	N 沟道和 P 沟道功率 MOSFET 漏极连接
NC	9	无连接引脚
OUT	10	电源输出，同时为设备提供自举电源

五、工作原理

5.1 PFM 调节方案

输出电压经分压后反馈到 FB 引脚，与内部参考电压在 PFM 比较器中进行比较。当比较器下降沿触发时，主开关 M1 开启，经过最大导通时间或达到电流限制后，M1 关闭，同步开关 M2 开启。M1 的关断时间不小于最小关断时间，以确保能量从电感完全转移到输出电容。在连续传导模式（CCM）和不连续传导模式（DCM）下，开关的控制方式有所不同，通过负反馈调节使 FB 引脚电压等于内部参考电压（1.20 V）。

5.2 同步整流

同步整流器用于替代肖特基二极管，减少了肖特基二极管正向电压带来的传导损耗。为避免开关切换时的功率损失和损坏开关 FET，引入了死区时间。在 DCM 模式下，通过 ZLC 比较器控制同步开关 M2 的关断，防止反向电流对电池造成损坏。

5.3 逐周期电流限制

通过 SENSEFET 采样线圈电流，当采样电压高于预设水平时，阈值检测器通知控制逻辑关闭主开关 M1，直到下一个周期开始。

5.4 电压参考

REF 引脚电压典型值为 1.20 V，在 (V_{OUT}) 等于 3.3 V 时，负载调整率为 ±2%，可输出高达 2.5 mA 的电流。REF 引脚未加载时需 200 nF 旁路电容，加载时需 1.0 μF 电容。

5.5 真正关断

通过多功能引脚 LBI/EN 控制，当该引脚电压低于 0.3 V 时，控制器进入关断模式，内部参考电压禁用，电流消耗仅 50 nA；高于 0.5 V 时，IC 启用，正常工作时从 OUT 引脚消耗 8.5 μA 电流。

5.6 低电池检测

通过带 30 mV 滞后的比较器实现，当 LBI/EN 引脚电压低于 1.20 V 时，比较器输出使 LBO 引脚电压拉低；高于 1.20 V + 30 mV 时，LBO 引脚变为高阻抗。

六、应用信息

6.1 输出电压设置

输出电压由外部反馈网络（R1 和 R2）决定，公式为 (V_{OUT } = 1.20 V times(1 + frac{R1}{R2}))。

6.2 低电池检测电平设置

低电池检测电压由外部分压网络（R3 和 R4）决定，公式为 (V_{LB} = 1.20 V times(1 + frac{R3}{R4}))。

6.3 电感选择

在 (V{IN}=2.5 V) 和 (V{OUT }=3.3 V) 、输出电流达 800 mA 时，使用 5.6 μH 电感可获得最佳性能。对于其他输入输出要求，可根据最终应用规格选择 3 μH 到 10 μH 的电感。选择电感时需在输出电流能力、电感饱和极限和可容忍的输出电压纹波之间进行权衡。同时，应选择直流电阻最低的电感，以减少功率损耗和提高效率。

6.4 电容选择

在开关模式升压转换器应用中，输入和输出端会出现脉冲电压/电流波形，电容的等效串联电阻（ESR）会影响输出电压纹波。应选择低 ESR 的电容，如陶瓷电容，低 ESR 钽电容也可作为替代。

6.5 PCB 布局建议

良好的 PCB 布局对于开关模式电源转换至关重要。采用星型接地连接，将输出电源返回地、输入电源返回地和设备电源地连接在一起；功率组件应尽量靠近放置，连接走线要短、直且粗；反馈网络应与主电流路径分离，直接在输出电容阳极处采样。

七、通用设计流程

7.1 设计参数设定

设定输入电压 (V{IN}=1.8 V) 到 3.0 V（典型值 2.4 V），输出电压 (V{OUT }=3.3 V)，输出电流 (I{OUT}=500 mA)，低电池检测电压 (V{LB}=2.0 V)，输出电压纹波 (V{OUT - RIPPLE}=40 mV{p - p})（(I_{OUT}=500 mA) 时）。

7.2 计算反馈网络

选择 (R2 = 200 k)，根据公式 (R1 = R2(frac{V{OUT }}{V{REF }} - 1)) 计算得 (R1 = 350 k)。

7.3 计算低电池检测分压

选择 (R4 = 330 k)，根据公式 (R3 = R4(frac{V{LB}}{V{REF}} - 1)) 计算得 (R3 = 220 k)。

7.4 确定稳态占空比

根据公式 (frac{V{OUT }}{V{IN }}=frac{1}{1 - D}) 计算得 (D = 0.273)。

7.5 确定平均电感电流

根据公式 (I{LAVG }=frac{I{OUT }}{1 - D}) 计算得 (I_{LAVG } = 688 mA)。

7.6 确定峰值电感纹波电流并计算电感值

假设 (I{RIPPLE - P}) 为 (I{LAVG}) 的 20%，根据公式 (L=frac{V{IN} × t{ON}}{2I_{RIPPLE - P}}) 计算得 (L = 6.5 μH)，选择标准值 6.5 μH 进行初始试验。

7.7 确定输出电压纹波并计算输出电容值

根据公式 (C{OUT} >frac{I{OUT} × t{ON}}{V{OUT - RIPPLE} - I{OUT} × ESR{COUT}}) 计算得 (C_{OUT} > 18.75 μF)，实际选择 22 μF 电容。

八、总结

NCP1422 升压转换器凭借其高效、高集成度和丰富的功能特性，为电池供电的手持电子产品提供了优秀的电源解决方案。在设计过程中，合理选择电感、电容等外部元件，并注意 PCB 布局，能够充分发挥该芯片的性能优势，满足不同应用场景的需求。各位工程师在实际应用中，不妨根据具体需求进行参数调整和优化，以达到最佳的设计效果。你在使用类似芯片时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。