用于车载USB供电的NCV8852

时间:2022-03-17作者:佚名

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:


图3. 考虑寄生参数的非同步Buck 电路工作原理

根据电感的伏秒平衡,可以得到实际的占空比为:


二. 基于NCV8852的车载USB电源设计

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:


3. 选择电感

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。

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