用于车载USB供电的NCV8852
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一 前言 在目前的车载娱乐系统中，USB接口已经成为系统的标配。随着大电池容量的便携设备的流行，做为车载充电接口的USB电源，需要提高更大的电流以满足设备的需要。目前主流方案中，单个USB口的负载能力需要达到2.5A。 车载USB系统的架构为： 从汽车蓄电池取电，经过降压电路后得到5V的稳定电源，提供给USB的VBUS。汽车蓄电池的电压并不是一个稳定的电压，其变化范围是非常大的，以小型乘用车为例，其蓄电池电压典型值为13V， 电压范围为9~16V， 在启停等恶劣情况下，会低至6V，甚至更低。 不少整车厂对USB电源有着非常严苛的要求，6V电池电压下要保证5V输出，考虑到输入端的反极性保护及线损，USB电源的输入端电压会更低。 这对车载USB电源的设计是个挑战。 Buck电路是最常用的降压开关电源。图1所示为非同步的Buck电路。
图1. 非同步buck电路结构 其工作原理为，当上管S1开通时，电源VIN向负载供电，电感L1储能，电感上的电压为VIN-VO。当上管S1关闭后，电感L1向负载提供能量，电感上的电压为-VO。图二所示为电流连续模式下的BUCK电路的工作原理及波形。根据电感伏秒平衡可以得到 图2. 电流连续模式下的非同步buck的工作原理 常用的BUCK电路，出于成本考虑，会选用N沟道MOSFET。但是在车载USB电源的应用中，成本较高的P沟道MOSFET却更有优势。 根据公式2，如果需要实现在VIN=5.7V下，保证VO=5V。 那么最大占空比为，
88%只是理想情况下的理论计算值。实际中，需要考虑续流二极管D1的压降，开关管S1的导通压降，以及电感L1的直流阻抗的压降，如图3所示。 开关管闭合时， 不考虑电流纹波，电感上的电压为：
根据电感的伏秒平衡，可以得到实际的占空比为： NCV8852是一款外接P沟道MOSFET的非同步BUCK 控制器。输入电压可高达44V，适用于12V蓄电池系统。 采用峰值电流控制，系统易于稳定，响应快。可通过在ROSC管脚外接电阻将工作频率设定在100kHz 到500kHz。图4为NCV8852的典型应用电路。ISNS管脚检测上管电流，用于峰值电流控制以及过流保护。COMP管脚为误差放大器的输出，外接RC电路以补偿环路。
图4. NCV8852的典型应用电路 用NCV8852设计USB电源，输入电压范围VIN=5.7~16V，典型值VIN_TYP=12V, 输出电压VO =5V， 输出电流IO=2.5A, 工作频率fs=170kHz. Buck 电路工作的最恶劣条件为输入电压最高时，此时其电流纹波最大，峰值电流最高。 1. 设定工作频率 NCV8852的工作频率，可根据如下公式设定： 电感主要有纹波电流ΔI决定。 通常将ΔI设定为典型输入电压下，最大输出电流的30%~50%， 这里取为30%。
考虑30%的裕量， 选取电感的直流电流大于3.2A，饱和电流大于3.9A。选取WURTH电感744770122，感值22uH， 直流电阻45mΩ，最大直流电流4.1A， 最大饱和电流5A。 4. 选取电流检测电阻
VCL: 过流门限电压，为100mV.ICL:过流保护电流值，设定限流值为最大峰值电流的1.3~1.5倍。 选取25mΩ采样电阻，过流保护值设为4A。 5. MOSFET选择 MOSFET承受的最高电压为 VINMAX , 考虑到抛负载保护，选取耐压40V以上的MOS。MOSFET的损耗，可由以下公式估算， tON, tOFF 为MOSFET开通和关断时间。 |
