用于车载USB供电的NCV8852

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。

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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[!--empirenews.page--]

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，

VD 为二极管的正向压降

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：[!--empirenews.page--]

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。[!--empirenews.page--]

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：

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[!--empirenews.page--]

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ONSEMI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)47OC/W。

由QGD可先计算出MOSFET的开通关断时间为：

6. 续流二极管的选择

续流二极管上的最大反向压降为VINMAX ,流过二极管的最大峰值电流为2.96A， 流过二极管的最大平均电流为

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8. 输入电容的选择

忽略电感电流纹波，输入电容电流的有效值为：

系统有一个极点，和一个零点。如果用瓷片电容，则可以忽略由ESR产生的零点。

NCV8852采用的电压型运放，其反馈电路如图6所示。

取Fc=17kHz。 已知， CO =22uF, RSNS=25mΩ, ACSA=2V/V, RFB2=52.5kΩ。

可以求得RC =6.2kΩ。

反馈电路的零点要放在主电路的极点附近，所以有：

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图7. NCV8852 5V，2.5A 车载USB电源设计实例电路图

表1， 图7设计实例的主要元件清单

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图8. NCV8852电路实测工作波形