NCP3163、NCV3163 反相轉換器與開關穩壓器深度解析

一、產品概述

NCP3163 系列是對流行的 MC33163 和 MC34163 單片 DC - DC 轉換器的性能提升產品。它由內部溫度補償基準、比較器、帶有源電流限制電路的受控占空比振蕩器、驅動器和高電流輸出開關組成。該控制器專為在降壓、升壓或電壓反相應用中使用最少的外部組件而設計，NCP3163 采用了露銅焊盤封裝，可大大提高內置功率開關的散熱能力。

文件下載：NCP3163BUCKGEVB.pdf

二、產品特性

電氣性能

• 高輸出電流：輸出開關電流超過 3.0 A，峰值開關電流可達 3.4 A。
• 寬頻率范圍：頻率可在 50 kHz 至 300 kHz 之間調節，且可外部調節工作頻率。
• 精確輸出控制：擁有 2% 精度的基準，可實現精確的輸出電壓控制。
• 高效驅動：驅動器具備自舉能力，可提高效率。
• 電流限制與保護：具備逐周期電流限制、內部熱關斷保護功能。
• 低待機電流：能有效降低功耗。

應用特性

• 寬輸入電壓范圍：可在 2.5 V 至 40 V 的輸入電壓下工作。
• 低電壓指示輸出：可直接與微處理器接口。
• 環保設計：為無鉛器件，符合環保要求。
• 汽車級應用：NCV 前綴適用于汽車和其他需要現場和變更控制的應用。

三、引腳功能與參數

引腳功能

最大額定值

四、工作原理

振蕩器

振蕩器頻率和輸出開關的導通時間由定時電容 (C{T}) 的值編程。(C{T}) 由 9:1 比例的內部電流源和吸收器充電和放電，在引腳 6 產生負向鋸齒波。當 (C{T}) 充電時，振蕩器輸出產生一個內部脈沖，該脈沖連接到或非門中心輸入，防止輸出開關導通；連接到與門上部輸入，若比較器輸出為低，則允許鎖存器復位。因此，輸出開關在上升期間始終禁用，僅在下降開始時可由比較器輸出啟用。振蕩器的峰值和谷值閾值分別為 1.25 V 和 0.55 V，充電電流為 225 μA，放電電流為 25 μA，最大導通時間占空比為 90%。對于特定的轉換器配置，可能需要降低最大占空比，可通過在 (C{T}) 兩端添加外部死區時間電阻 ((R_{DT})) 來實現，該電阻會增加放電電流，從而減少輸出開關的導通時間。

反饋和低電壓指示比較器

• 反饋比較器：輸出電壓控制由反饋比較器實現。反相輸入內部偏置為 1.25 V 且未引出引腳。轉換器輸出電壓通常通過兩個外部電阻分壓，并由引腳 2 的高阻抗同相輸入監測。最大輸入偏置電流為 ±0.4 μA，這可能導致輸出電壓誤差，誤差等于輸入偏置電流與上部分壓電阻值的乘積。對于需要 5.0 V 的應用，轉換器輸出可直接連接到引腳 3 的同相輸入，引腳 2 的高阻抗輸入必須接地以防止噪聲拾取。內部電阻分壓器設置為標稱電壓 5.05 V，額外的 50 mV 用于補償從轉換器輸出到負載的電纜和連接器中的 1.0% 電壓降。反饋比較器的輸出狀態由施加到兩個同相輸入中較高的電壓控制。
• 低電壓指示（LVI）比較器：設計用于基于微處理器的系統中作為復位控制器。反相輸入內部偏置為 1.125 V，將同相輸入閾值設置為標稱值的 90%。LVI 比較器具有 15 mV 的遲滯，以防止復位操作不穩定。開集電極輸出能夠吸收超過 6.0 mA 的電流。可使用外部電阻 ((R{LVI})) 和電容 ((C{DLY})) 通過以下公式編程復位延遲時間 ((t{DLY}))： [t{D L Y}=R{L V I} cdot C{D L Y} cdot ln left(frac{1}{1-frac{V{th(M P U)}}{V{out }}}right)]

電流限制比較器、鎖存器和熱關斷

在正常工作條件下，電壓模式紋波轉換器的輸出開關導通由振蕩器啟動，由電壓反饋比較器終止。當轉換器輸出過載或反饋電壓檢測丟失時，會出現異常工作條件。在這些條件下，電流限制比較器將保護輸出開關。開關電流通過在 (V{CC}) 和輸出開關晶體管 (Q{2}) 串聯一個分數歐姆電阻 (R{SC}) 轉換為電壓。(R{SC}) 上的電壓降由電流檢測比較器監測。如果電壓降相對于 (V{CC}) 超過 250 mV，比較器將設置鎖存器并逐周期終止輸出開關導通。這種比較器/鎖存器配置確保輸出開關在給定的振蕩器周期內只有一個導通時間。(R{SC}) 的值計算如下： [R{SC}=frac{0.25}{I{pk (Switch)}}]

內部熱關斷電路用于在超過最大結溫時保護 IC。當激活時（通常在 170°C），鎖存器被強制進入“置位”狀態，禁用輸出開關。此功能用于防止因意外設備過熱導致的災難性故障，但不能替代適當的散熱措施。

驅動器和輸出開關

為了提高系統設計的靈活性和轉換效率，驅動器電流源和集電極以及輸出開關集電極和發射極分別引出引腳。這使設計人員可以選擇以選定的強制增益將輸出開關驅動到飽和狀態，或在連接為達林頓管時將其驅動到接近飽和狀態。輸出開關在 2.5 A 時典型電流增益為 70，設計用于切換最大 40 V 的集電極到發射極電壓，峰值集電極電流可達 3.4 A。

在降壓或電壓反相應用中，當開關關閉時，電感會使輸出整流器正向偏置。不應使用具有高正向電壓降或長導通延遲時間的整流器。如果發射極允許足夠負，集電極電流將流動，導致額外的器件發熱和降低轉換效率。建議使用 1N5822 或等效的肖特基勢壘整流器。

自舉輸入用于降低降壓和電壓反相轉換器應用中的輸出開關飽和電壓。該輸入通過串聯電阻和電容連接到開關發射極，用于將內部 2.0 mA 偏置電流源提升到 (V{CC}) 以上。內部齊納二極管將自舉輸入電壓限制在 (V{CC}+7.0 V)。電容的等效串聯電阻必須將齊納電流限制在小于 100 mA。使用鉭或其他低 ESR 電容時，可能需要額外的串聯電阻。基于最小齊納電壓和上限電流源計算最小自舉電容的公式如下： [C{B(min )}=1 frac{Delta t}{Delta V}=4.0 mA frac{t{on }}{4.0 V}=0.001 t_{on}]

五、應用設計

設計方程

典型應用示例 - 降壓應用