用于车载USB供电的非同步BUCK控制器

发布时间：2014-12-24 15:29 发布者：designapp

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

最后可以解出

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：

其中，IO为输出电流，Rdson为上管MOSFET的导通电阻，DCR为电感的直流阻抗。
开关管管断开时，不考虑电流纹波，电感上的电压为：

VD为二极管的正向压降

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：

取VIN=5.7V，VO=5V，IO=2A，VD=0.3V，Rdson=50mΩ，DCR=70mΩ，可以计算所需要的占空比为：

如果选择N沟道MOSFET做为开关S1，驱动电压要高于VIN，需要用自举电路，通过每个周期对自举电容充电来驱动NMOS，这种驱动结构在如此大的占空比的应用中问题很多。而采用P沟道MOSFET，通常可以做到100%的占空比，即常开。在常开的情况下，我们可以得到：

取VO=5V，IO=2A，VD=0.3V，Rdson=50mΩ，DCR=70mΩ，可以得到该情况下，输入电压最低可为：

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：

当设置为170kHz时，将ROSC开路即可。
2.占空比
最高工作电压下，占空比最小为：

最低工作电压下，占空比最大为：

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%。

电感值为：

实际取为L1=22uH。
最高输入电压上的最大纹波电流为：

电感上的最大峰值电流为

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，
导通损耗：

开关损耗

tON、tOFF为MOSFET开通和关断时间。
ISINK：为驱动下拉电流，NCV8852的驱动下拉电流典型值为200mA.
ISRC：为驱动的输出电流，NCV8852的驱动输出电流典型值为200mA
选取安森美半导体的NVTFS5116PL，耐压60V，导通电阻Rdson=52mΩ@VGS=10V，QGD=8nC，封装u8FL，参考热阻(芯片结温到环境温度)47℃/W。
由QGD可先计算出MOSFET的开通关断时间为：