雙向過壓過流保護器件NCP370的原理及應用

　　0 引言

　　NCP370是安森美半導體(0N Semiconductor)公司生產的具有過壓、過流保護及反向控制功能的集成雙向保護器件。該器件可以提供高達+28V的正向保護和低至-28 V的負向保護功能，從而提高對便攜設備前端的保護。NCP370采用了創(chuàng)新架構，可在器件內部為連接在底部連接器并以鋰離子電池供電的外部附件提供OCP保護，而無需使用外部OCP器件。另外，NCP370還集成有低導通阻抗(Ron)的N溝道MOSFET，可有效支持便攜設備中的鋰離子電池所要求的1．3 A的直接充電電流，并可進一步降低系統(tǒng)成本。

　　1 NCP370的特點功能

　　1．1 NCP370的主要特點

　　NCP370是一種雙向保護器件，通過該器件所提供的“反向”模式，可對便攜設備電池的反向電流進行穩(wěn)流，并可為連接在便攜設備底部連接器上的FM收發(fā)器、音頻或閃光等外部設備進行供電。因此，NCP370可為手機、數(shù)碼相機、MP3／4、個人數(shù)字助理(PDA)和GPS系統(tǒng)提供正向及負向(+／-)過壓保護(OVP)，并為調頻(FM)收發(fā)器、負載揚聲器／蜂鳴器和閃光模塊等便攜附件提供過流保護(OCP)。

　　NCP370過壓過流保護器的主要特性如下：

• 　　具有高達+28 V的過壓保護功能和低至-28 V的欠壓保護功能；
• 　　帶有反向充電控制引腳／REV和正向充電控制引腳／DIR；
• 　　具有過流保護和熱關斷功能；
• 　　內含低RDS(on)N溝道MOS晶體管，RDS(on)典型值為130 mΩ；
• 　　具有過壓鎖定(OVLO)和欠壓鎖定(OV-LO)功能；
• 　　具有軟啟動功能；
• 　　帶有報警輸出引腳／FLAG；
• 　　符合IEC61000-4-2(4級)標準，普通絕緣電壓為8 kV，空氣絕緣電壓為15 kV；
• 　　采用3×3 mm的TLLGA-12無鉛封裝，符合RoHS無鉛封裝要求。

　　1．2 NCP370的引腳功能

　　NCP370采用3 mm×3 mm×0．55 mm LLGA-12無鉛封裝，圖1所示是其引腳排列圖，各引腳的功能如下：

• 　　IN：電源輸入引腳，應與公共電源進行硬線連接，并應使用1 μF或更大的低ESR陶瓷電容與GND相連，以進行電源濾波；
• 　　GND：接地端；
• 　　RES：預留輸入端，不用時可與GND相連；
• 　　Ilim：限流輸出端，采用電池為外設供電時，NCP370內部會生成一個帶隙電壓基準，并以該基準來進行限流，然后通過內部N-MOSFET來達到限流的目的。若在該引腳連接一個容差為1％的電容，則其過流門限的精度最高；
• 　　REV：反向充電控制輸入端，需與DIR引腳配合使用。當電池接OUT端時，NCP370內部的N溝道MOS管開啟，器件進入反向模式，此時，器件內部的過流保護電路工作。而當NCP370的反向模式失效時，進入OUT端的電流將大幅降低，以避免電池放電。
• 　　DIR：正向模式輸入端，需與REV結合起來使用。當墻上適配器AC-DC連接到IN端時，NCP370內部的N溝道MOS管開啟，電路進入正向模式。而當該端和REV均為高時，NCP370進入關斷模式，此時，輸出將與輸入斷開。但DIR端的狀態(tài)不會影響到FLAG的故障檢測。
• 　　FLAG，故障指示輸出端，NCP370也允許通過外部電路來判斷故障。當出現(xiàn)輸入電壓高于OVLO閥值或低于UVLO閥值、電池到外設的充電電流超過門限、或內部溫度高于關斷電流門限值時，該端置低。由于FLAG端為開漏輸出，故應在該端口與Vbat之間加一上拉電阻(最小10 kΩ)。
• 　　OUT：電壓輸出端，當檢測到“無輸入故障”時，該引腳會隨IN端輸出。而當輸入電壓低于欠壓閥值、或高于過壓閥值、或有熱關斷發(fā)生時，該輸出端會與Vin斷開。一般情況下，在反向模式，NCP370將通過OUT端來供電。
• 　　NC：懸空端；
• 　　PAD1：該引腳通常用于給內部MOSFET散熱，使用時應將它焊接到獨立的PCB區(qū)域，且不能有任何潛在的接觸。

　　2 工作原理

　　NCP370提供有兩種工作模式：正向模式和反向模式，兩種工作模式可通過器件的邏輯引腳來進行設置。第一種是指用墻上適配器為系統(tǒng)提供電源的工作模式。在這種模式下，NCP370的正向保護電壓和反向保護電壓分別可達+28 V和-28 V。而且當系統(tǒng)輸入電壓超過過壓閥值(OV-LO)或低于欠壓閥值(UVLO)時，墻上適配器(或AC／DC充電器)會自動斷開。通常在NCP370上電期間，如Vin超過欠壓閥值，Vout會再延遲30ms。

　　第二種為反向模式，即由系統(tǒng)電池或升壓器給外部設備提供電源的充電模式。在這種模式下，外設必須接到NCP370的輸入端(系統(tǒng)底部連接器)，而電池則應與其輸出端相連。同時，NCP370內部的過流保護電路也會被激活，這樣可以防止外設故障和電池放電。另外，NCP370還帶有一個反向故障指示輸出端(FLAG)，該端口可在故障發(fā)生時，用于向系統(tǒng)報警。若在其輸入端旁路一個1μF或更大的電容，NCP370還可以進行ESD保護(15 kV的空氣放電)。

　　在NCP370上電期間，若DIR為低，且REV為高，同時輸入電壓高于UVLO，那么，其輸出電壓仍然會持續(xù)30 ms的時間。而當輸出信號升高后，F(xiàn)LAG信號也會持續(xù)30 ms。

　　將外設連到IN端，NCP370便可進入反向模式。此時，外設內部的電池可由NCP370的OUT端來供電。在反向模式下，NCP370的REV端必須置低，這樣，當外設發(fā)生過壓、欠壓或過流等故障時，NCP370內部的過壓、欠壓或過流保護電路才會起作用，同時其FLAG也才會向系統(tǒng)發(fā)出報警信號。圖2所示是NCP370的內部功能框圖。

　　2．1 欠壓鎖定電路(UVLO)

　　NCP370M芯片內部集成有欠壓鎖定電路，該電路可以確保在任何條件下使AC／DC (或墻上充電適配器)正常開啟。在Vin正向上升期間，如果電壓低于UVLO閥值，NCP370的輸出與輸入為斷開狀態(tài)，且FLAG輸出置低。應當注意的是：該欠壓鎖定電路具有60 mV的滯后，可用以提高瞬變干擾。當NCP370工作在反向模式時(REV=0．55 V，DIR>=1．2 V)，其內部的UVLO和OVLO比較器均不工作。

　　2．2 過壓鎖定電路

　　NCP370內部的過壓鎖定電路，可用以防止Vout端系統(tǒng)的過壓損壞。一旦NCP370的輸入電壓高于OVLO閥值，其輸出就會失效，且FLAG會輸出低電平。該過壓鎖定電路也有80 mV的滯后，可提高電壓瞬變時的抗擾性。另外，NCP370的OVLO閥值還可以手工設置。

　　2．3 系統(tǒng)電壓鎖定

　　當DIR為低，同時REF也為低時，通過墻上適配器(輸入)可為系統(tǒng)(輸出)供電，此時，NCP370內部的第二個過壓比較器將起作用，但此時其RDS(on)會高些，電流接近10mA。事實上，在測試產品期間(25℃條件下)，其輸入電壓可以高些(OVLO的典型值為8．27 V)。

　　2．4 故障報警輸出

　　NCP370內含一個FLAG報警提示引腳。一旦NCP370檢測到輸入電壓高于OVLO閥值、低于U-VLO閥值或過流、過壓等故障，F(xiàn)LAG端就會置低，并通知微控制器采取適當?shù)拇胧６斴斎腚妷夯謴偷秸７秶鷷r，F(xiàn)IAG又會在經過一個延遲后置高，隨后使Vout恢復輸出，其工作時序如圖3所示。

　　由于FLAG是開漏輸出，因此，在電源端必須接一個上拉電阻(最小10 kΩ)。當NCP370的溫度過高時，其FLAG會置低，并將輸出與輸入斷開。通過FLAG引腳可以隨時反映Vin狀態(tài)，即使在設備關閉(DIR=0)情況下，也不例外。這樣，在反向模式下，微控制器也可以根據其FLAG引腳的狀態(tài)變化來正確處理過壓、過流及熱關斷等故障。

　　2．5 DIR輸入

　　將NCP370的DIR端強制拉低，并將DEV端拉高，NCP370即可進入正向充電狀態(tài)。而將DIR端置高時，OUT端會與IN端斷開，具體的充電狀態(tài)設置如表1所列。另外，DIR也會受到OVLO或U-VLO故障的影響(FLAG有效)。

　　3 典型應用

　　NCP370具有保護電壓下降的功能，通過該功能可使電路免受IN端反向電壓的影響。當出現(xiàn)反向電壓時，NCP370的輸出將與輸入端斷開。

　　圖4所示是NCP370的典型應用電路。

　　將NCP370的DIR端強制置高(>1．2 V)，且將DEV端置低(0．55 V)，NCP370便可進入反向供電狀態(tài)，此時系統(tǒng)內的電源可以向置于底部連接器的外設供電。而NCP370則由電池來供電，范圍為2．5～5．5 V，而且此時的OCP和熱關斷模式同樣起作用。

　　當外設電阻Rlim上的電流(Ilim)高于Iocp時，流過其內部N溝道MOS管的電流就會受到限制，這樣，NCP370就能提供從電池到外設的反向過流保護功能。由于NCP370的內部電阻與Ilim是串聯(lián)關系，因此，當Ilim引腳直接與GND相連時，其OCP最大，而在它們之間接入Rlim時，其OCP會減小，OCP的取值大小如表2所列。當電流高于OCP時，其內部的NMOS會關斷，且／FIAG會置低，同時NCP370會通知微控制器來對故障進行處理，并禁止反向充電模式。

　　通過NCP370內部的熱關斷保護電路，可在溫度過高時關斷內部MOSFET，從而及時為器件降溫。NCP370所允許的最高熱關斷值為150℃，超過這個溫度，F(xiàn)LAG就會置低，并通知MCU。但是，由于NCP370芯片還具有30℃的熱滯，因此，只有在溫度低于120℃時，其芯片內部的MOSFET才能開啟；而在高于120℃時，NCP370會一直處于熱關斷狀態(tài)。此后，故障消除，芯片即可恢復正常工作。 NCP370在OUT端內部集成有2個低RDS(on)的N溝道MOS管，可用以實現(xiàn)對OUT端外系統(tǒng)在過壓、負向電壓及反向電流下的保護。通常，N溝道MOS管的這種RDS(on)特性會在OUT端引入少量損耗。

　　4 結束語

　　NCP370是安森美半導體公司針對便攜式應用系統(tǒng)產品最新推出的重要器件，該器件可為手機、數(shù)碼相機、MP3／4、個人數(shù)字助理(PDA)和GPS系統(tǒng)提供28 V的正向及負向過壓和過流保護(OVP)。此外，NCP370還提供有“反向”模式，可實現(xiàn)便攜式設備電池中反向電流的穩(wěn)流，故可廣泛用于便攜式設備底部連接器上FM收發(fā)器以及音頻和閃光等功能附件電路的供電。