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        用于車載USB供電的非同步BUCK控制器

        作者: 時間:2016-12-16 來源:網絡 收藏
        一 前言
        在目前的車載娛樂系統中,USB接口已經成為系統的標配。隨著大電池容量的便攜設備的流行,做為車載充電接口的USB電源,需要提高更大的電流以滿足設備的需要。目前主流方案中,單個USB口的負載能力需要達到2.5A。
        車載USB系統的架構為:從汽車蓄電池取電,經過降壓電路后得到5V的穩定電源,提供給USB的VBUS。汽車蓄電池的電壓并不是一個穩定的電壓,其變化范圍是非常大的,以小型乘用車為例,其蓄電池電壓典型值為13V,電壓范圍為9~16V,在啟停等惡劣情況下,會低至6V,甚至更低。不少整車廠對USB電源有著非常嚴苛的要求,6V電池電壓下要保證5V輸出,考慮到輸入端的反極性保護及線損,USB電源的輸入端電壓會更低。這對車載USB電源的設計是個挑戰。
        Buck電路是最常用的降壓開關電源。圖1所示為非同步的Buck電路。


        圖1.非同步buck電路結構

        其工作原理為,當上管S1開通時,電源VIN向負載供電,電感L1儲能,電感上的電壓為VIN-VO。當上管S1關閉后,電感L1向負載提供能量,電感上的電壓為-VO。圖二所示為電流連續模式下的BUCK電路的工作原理及波形。根據電感伏秒平衡可以得到



        最后可以解出





        圖2.電流連續模式下的非同步buck的工作原理

        常用的BUCK電路,出于成本考慮,會選用N溝道MOSFET。但是在車載USB電源的應用中,成本較高的P溝道MOSFET卻更有優勢。
        根據公式2,如果需要實現在VIN=5.7V下,保證VO=5V。那么最大占空比為,









        88%只是理想情況下的理論計算值。實際中,需要考慮續流二極管D1的壓降,開關管S1的導通壓降,以及電感L1的直流阻抗的壓降,如圖3所示。
        開關管閉合時,不考慮電流紋波,電感上的電壓為:



        其中,IO為輸出電流,Rdson為上管MOSFET的導通電阻,DCR為電感的直流阻抗。
        開關管管斷開時,不考慮電流紋波,電感上的電壓為:



        VD為二極管的正向壓降


        圖3.考慮寄生參數的非同步Buck電路工作原理

        根據電感的伏秒平衡,可以得到實際的占空比為:



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



        如果選擇N溝道MOSFET做為開關S1,驅動電壓要高于VIN,需要用自舉電路,通過每個周期對自舉電容充電來驅動NMOS,這種驅動結構在如此大的占空比的應用中問題很多。而采用P溝道MOSFET,通常可以做到100%的占空比,即常開。在常開的情況下,我們可以得到:



        取VO=5V,IO=2A,VD=0.3V,Rdson=50mΩ,DCR=70mΩ,可以得到該情況下,輸入電壓最低可為:



        二.基于NCV8852的車載USB電源設計
        NCV8852是一款外接P溝道MOSFET的非同步BUCK控制器。輸入電壓可高達44V,適用于12V蓄電池系統。采用峰值電流控制,系統易于穩定,響應快。可通過在ROSC管腳外接電阻將工作頻率設定在100kHz到500kHz。圖4為NCV8852的典型應用電路。ISNS管腳檢測上管電流,用于峰值電流控制以及過流保護。COMP管腳為誤差放大器的輸出,外接RC電路以補償環路。

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