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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 …………(1) 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： …………(3) 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： …………(4) 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： …………(5) 取VIN=5.7V，VO=5V，IO=2A，VD=0.3V， Rdson=50m?， DCR=70m?，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： …………(6) 取VO=5V，IO=2A，VD=0.3V， Rdson=50m?， DCR=70m?，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。 圖4. NCV8852的典型應用電路用NCV8852設計USB電源，輸入電壓范圍VIN=5.7~16V，典型值VIN_TYP=12V，輸出電壓VO =5V，輸出電流IO=2.5A，工作頻率fs=170kHz. Buck電路工作的最惡劣條件為輸入電壓最高時，此時其電流紋波最大，峰值電流最高。 1.設定工作頻率NCV8852的工作頻率，可根據如下公式設定： …………(7) 當設置為170kHz時，將ROSC開路即可。 2.占空比最高工作電壓下，占空比最小為： 3.選擇電感 電感主要有紋波電流ΔI決定。通常將ΔI設定為典型輸入電壓下，最大輸出電流的30%~50%，這里取為30%. 考慮30%的裕量，選取電感的直流電流大于3.2A，飽和電流大于3.9A.選取WURTH電感744770122，感值22uH，直流電阻45m?，最大直流電流4.1A，最大飽和電流5A. 4.選取電流檢測電阻 …………(11) VCL：過流門限電壓，為100mV.ICL：過流保護電流值，設定限流值為最大峰值電流的1.3~1.5倍。 選取25m?采樣電阻，過流保護值設為4A. 5. MOSFET選擇MOSFET承受的最高電壓為VINMAX ，考慮到拋負載保護，選取耐壓40V以上的MOS.MOSFET的損耗，可由以下公式估算，導通損耗： tON， tOFF為MOSFET開通和關斷時間。 ISINK：為驅動下拉電流，NCV8852的驅動下拉電流典型值為200mA. ISRC：為驅動的輸出電流，NCV8852的驅動輸出電流典型值為200mA 選取ONSEMI的NVTFS5116PL，耐壓60V，導通電阻Rdson=52m?@VGS=10V， QGD=8nC，封裝u8FL，參考熱阻(芯片結溫到環境溫度)47OC/W.由QGD可先計算出MOSFET的開通關斷時間為： 計算MOSFET功耗：在最高輸入電壓下 TA_MAX為最大環境溫度，車載USB電源一般要求為85oC.150oC為最大結溫。 在最低輸入電壓下 MOSFET的結溫為 6.續流二極管的選擇續流二極管上的最大反向壓降為VINMAX ，流過二極管的最大峰值電流為2.96A，流過二極管的最大平均電流為 …………(18) 建議二極管正向電流為流過二級管的平均電流的1.5倍。這里選取ONSEMI的MBRA340, 最大正向平均電流為3A， 反向耐壓40V， SMA封裝，參考熱阻為81oC/W。2.5A，100oC結溫時的正向導通壓降約為0.32V 二極管損耗(忽略寄生電容產生的損耗)為： |
