用于車載USB供電的非同步BUCK控制器
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在目前的車載娛樂(lè)系統(tǒng)中，USB接口已經(jīng)成為系統(tǒng)的標(biāo)配。隨著大電池容量的便攜設(shè)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(shè)備的需要。目前主流方案中，單個(gè)USB口的負(fù)載能力需要達(dá)到2.5A。
車載USB系統(tǒng)的架構(gòu)為：從汽車蓄電池取電，經(jīng)過(guò)降壓電路后得到5V的穩(wěn)定電源，提供給USB的VBUS。汽車蓄電池的電壓并不是一個(gè)穩(wěn)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(huì)低至6V，甚至更低。不少整車廠對(duì)USB電源有著非常嚴(yán)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(hù)及線損，USB電源的輸入端電壓會(huì)更低。這對(duì)車載USB電源的設(shè)計(jì)是個(gè)挑戰(zhàn)。
Buck電路是最常用的降壓開(kāi)關(guān)電源。圖1所示為非同步的Buck電路。
圖1.非同步buck電路結(jié)構(gòu)
其工作原理為，當(dāng)上管S1開(kāi)通時(shí)，電源VIN向負(fù)載供電，電感L1儲(chǔ)能，電感上的電壓為VIN-VO。當(dāng)上管S1關(guān)閉后，電感L1向負(fù)載提供能量，電感上的電壓為-VO。圖二所示為電流連續(xù)模式下的BUCK電路的工作原理及波形。根據(jù)電感伏秒平衡可以得到
最后可以解出
圖2.電流連續(xù)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(huì)選用N溝道MOSFET。但是在車載USB電源的應(yīng)用中，成本較高的P溝道MOSFET卻更有優(yōu)勢(shì)。
根據(jù)公式2，如果需要實(shí)現(xiàn)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(jì)算值。實(shí)際中，需要考慮續(xù)流二極管D1的壓降，開(kāi)關(guān)管S1的導(dǎo)通壓降，以及電感L1的直流阻抗的壓降，如圖3所示。
開(kāi)關(guān)管閉合時(shí)，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(dǎo)通電阻，DCR為電感的直流阻抗。
開(kāi)關(guān)管管斷開(kāi)時(shí)，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(shù)的非同步Buck電路工作原理
根據(jù)電感的伏秒平衡，可以得到實(shí)際的占空比為：
取VIN=5.7V，VO=5V，IO=2A，VD=0.3V，Rdson=50mΩ，DCR=70mΩ，可以計(jì)算所需要的占空比為：
如果選擇N溝道MOSFET做為開(kāi)關(guān)S1，驅(qū)動(dòng)電壓要高于VIN，需要用自舉電路，通過(guò)每個(gè)周期對(duì)自舉電容充電來(lái)驅(qū)動(dòng)NMOS，這種驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)在如此大的占空比的應(yīng)用中問(wèn)題很多。而采用P溝道MOSFET，通常可以做到100%的占空比，即常開(kāi)。在常開(kāi)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(shè)計(jì)
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(dá)44V，適用于12V蓄電池系統(tǒng)。采用峰值電流控制，系統(tǒng)易于穩(wěn)定，響應(yīng)快?？赏ㄟ^(guò)在ROSC管腳外接電阻將工作頻率設(shè)定在100kHz到500kHz。圖4為NCV8852的典型應(yīng)用電路。ISNS管腳檢測(cè)上管電流，用于峰值電流控制以及過(guò)流保護(hù)。COMP管腳為誤差放大器的輸出，外接RC電路以補(bǔ)償環(huán)路。
評(píng)論