探索 ON Semiconductor NCV107x 系列：汽車高壓開關的卓越之選

在電子工程領域，電源管理一直是一個關鍵的研究方向。特別是在汽車電子等對穩定性和可靠性要求極高的領域，一款性能出色的開關電源控制器顯得尤為重要。今天，我們就來深入探討 ON Semiconductor 的 NCV1072、NCV1075、NCV1076 和 NCV1077 這幾款產品，看看它們在汽車高壓開關應用中能帶來怎樣的驚喜。

文件下載：onsemi NCV1077高壓開關穩壓器.pdf

產品概述

NCV107x 系列產品將固定頻率電流模式控制器與 670 V MOSFET 集成在一起，采用 PDIP - 7 封裝，具有高度集成的特點。它集成了軟啟動、頻率抖動、短路保護、跳周期、最大峰值電流設定點、斜坡補償和動態自供電等功能，無需輔助繞組，大大簡化了電路設計。

與其他單片解決方案不同，NCV107x 天生安靜。在標稱負載運行期間，該器件以 65、100 或 130 kHz 中的一個可用頻率進行開關操作。當輸出功率需求降低時，IC 會自動進入頻率折返模式，在輕負載下提供出色的效率。當功率需求進一步降低時，它會進入跳周期模式，將待機功耗降低到無負載條件。

簡化的內部電路架構

典型應用電路

產品特性解析

強大的 MOSFET 性能

內置 670 V MOSFET，其中 NCV1076/77 的 $R{DS(on)}$ 為 4.7 Ω，NCV1072/75 的 $R{DS(on)}$ 為 11 Ω。這種低導通電阻能夠有效降低功率損耗，提高電源效率。同時，高壓引腳之間的大爬電距離確保了在高壓環境下的安全性和可靠性。

靈活的頻率選擇

支持 65 / 100 / 130 kHz 的固定頻率電流模式操作，不同的型號對應不同的峰值電流。例如，NCV1072 的峰值電流為 250 mA，NCV1075 為 450 mA，NCV1076 為 650 mA，NCV1077 為 800 mA。這種多樣化的選擇可以滿足不同應用場景的需求。

全面的保護功能

• 短路保護：通過持續監測反饋線活動，IC 能夠檢測到短路的存在，并立即降低輸出功率，實現系統的全面保護。當反饋電流低于閾值 $I{FB(fault)}$ 時，會啟動一個 $t{sCP}$ 定時器。如果定時器結束時故障仍然存在，設備將進入安全的自動恢復突發模式，受固定定時器周期 $t_{recovery}$ 的影響。一旦短路消失，控制器將恢復正常運行。
• 過壓保護：當使用輔助繞組為 $V{CC}$ 引腳偏置時，內部有源鉗位將電源動態限制在 $V{CC(clamp)}$。如果注入該鉗位的電流超過 6.0 mA（最小值），控制器將立即停止開關操作，并等待一個完整的定時器周期 $(t_{recovery})$ 后再嘗試重新啟動。
• 溫度保護：內部溫度關斷功能可確保在溫度過高時自動停止工作，保護器件不受損壞。當溫度下降到一定程度后，會自動恢復正常工作。

高效的節能設計

• 動態自供電：內部高壓電流源使得該器件可以在無需輔助繞組的情況下提供電源電壓，降低了成本和設計復雜度。
• 頻率折返和跳周期操作：在輕負載條件下，通過頻率折返和跳周期操作，能夠顯著降低功耗，提高能源利用效率。

電氣特性分析

電源管理相關參數

• $V_{CC}$ 啟動和停止電壓：不同型號的 $V{CC}$ 啟動電壓和停止電壓略有差異。例如，NCV1072/75 的 $V{CC(on)}$ 為 7.8 - 8.6 V，$V{CC(off)}$ 為 6.1 - 6.6 V；NCV1076/77 的 $V{CC(on)}$ 為 7.7 - 8.5 V，$V_{CC(off)}$ 為 6.1 - 6.6 V。這些參數的精確控制確保了器件在不同電源電壓下的穩定啟動和停止。
• $V_{CC}$ 最小電壓和復位電壓：$V{CC(min)}$ 為 6.5 - 7.2 V，當 $V{CC}$ 下降到該值時，高壓電流源將重新啟動。$V_{CC(reset)}$ 為 4 V，此時內部鎖存器將被復位。

電流比較器參數

不同型號在不同頻率下的最終開關電流不同。例如，在 65 kHz 且初級斜率為 200 mA/μs 時，NCV1072 的最終開關電流為 296 mA，NCV1075 為 510 mA，NCV1076 為 732 mA，NCV1077 為 881 mA。這些參數對于準確設計電源電路至關重要。

振蕩器和反饋參數

• 振蕩頻率：不同版本的振蕩頻率在一定范圍內波動，例如 65 kHz 版本的振蕩頻率為 59 - 71 kHz，100 kHz 版本為 90 - 110 kHz，130 kHz 版本為 117 - 143 kHz。頻率抖動為 ±6%，抖動擺動頻率為 300 Hz。
• 反饋參數：反饋電流用于檢測故障、設置內部電流設定點等。例如，$I{FB(fault)}$ 為 -35 μA 時檢測到故障，$I{FB100\%}$ 為 -44 μA 時內部電流設定點為 100%。

應用設計要點

啟動序列和 $V_{CC}$ 電容設計

在啟動時，內部電流源為 $V{CC}$ 電容充電。當 $V{CC}$ 達到 $V{CC(on)}$ 時，電流源關閉，輸出級開始工作。$V{CC}$ 電容的選擇非常重要，需要滿足 $C{VCC} \geq \frac{I{CC1} D{max}}{f{OSC} \cdot \Delta V}$ 的條件。以 NCV1072 65 kHz 器件為例，$C_{VCC}$ 應大于 $\frac{0.8 m \cdot 72\%}{59 kHz \cdot 0.4}$，考慮到溫度漂移和開關損耗等因素，建議選擇大于 0.1 μF 的電容。

故障條件處理

• $V_{CC}$ 短路故障：在某些故障情況下，$V{CC}$ 與 GND 之間可能會發生短路。為避免過高的功耗和溫度升高，控制器采用了兩級啟動電流 $I{start1}$ 和 $I{start2}$。在啟動初期，當 $V{CC}$ 低于 2.4 V 時，提供 $I{start2}$（約 500 μA）；當 $V{CC}$ 達到 2.4 V 時，切換到 $I_{start1}$ 并提供標稱值。
• 輸出短路故障：當輸出發生短路或過載時，NCV107X 會通過低頻突發模式保護自身和電源。一旦檢測到故障，會啟動故障計數器 $t{sCP}$，如果故障仍然存在，將進入自動恢復模式，受 $t{recovery}$ 控制。

自動恢復過壓保護

當光耦故障導致輸出電壓失控時，NCV107X 的自動恢復過壓保護功能可以發揮作用。內部有源齊納二極管監測和保護 $V{CC}$ 引腳，當 $V{CC}$ 電壓過高時，控制器會停止內部驅動器。經過 $t_{recovery}$ 延遲后，會嘗試重新啟動。為了提高過壓保護的精度，可以在限流電阻上添加一個簡單的齊納二極管。

其他設計要點

• 軟啟動：1 ms 的軟啟動功能可以降低上電應力，減少輸出過沖。NCV107X 的專利結構提供了更好的軟啟動斜坡，幾乎忽略了傳統電流模式電源固有的啟動基座。
• 抖動：頻率抖動可以將能量分散在主開關組件附近，改善 EMI 特性。NCV107X 的頻率抖動為 ±6%，抖動擺動頻率為 300 Hz。
• 線路檢測：內部比較器監測漏極電壓，當漏極電壓低于內部閾值 $V_{HV(EN)}$ 時，內部功率開關將被禁止，避免在過低的交流輸入下工作。
• 頻率折返：當反饋電流超過 $I{FBfold}$ 時，振蕩器進入頻率折返模式，降低開關頻率，提高輕負載性能。當反饋電流達到 $I{FBfold(end)}$ 時，頻率降至 $F_{min}$（典型值為 25 kHz），如果輸出功率繼續降低，將進入跳周期模式。

典型應用案例

以一個 10 W NCV1075 基于反激式轉換器的低待機功率應用為例。在該應用中，建議通過短路 J3 禁用動態自供電，以給 MOSFET 留出更多空間。反饋通過 NCP431 實現，其低偏置電流（50 μA）有助于降低無負載待機功率。實際測量結果顯示，在不同交流輸入電壓下，使用輔助繞組偏置器件時的無負載功耗分別為：100 Vac 時為 26 mW，115 Vac 時為 28 mW，230 Vac 時為 38 mW，265 Vac 時為 45 mW。

總結

ON Semiconductor 的 NCV107x 系列產品憑借其高度集成的設計、全面的保護功能、高效的節能特性和靈活的電氣參數，為汽車和其他需要獨特場地和控制變更要求的應用提供了出色的解決方案。在實際設計過程中，需要根據具體的應用需求和電氣特性，合理選擇器件型號，并注意啟動序列、故障處理、過壓保護等設計要點，以確保電源電路的穩定性和可靠性。

你在使用這些器件進行設計時，是否遇到過一些特殊的問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。