探索onsemi NCP45732：高效負(fù)載管理的理想之選

在電子設(shè)備的電源管理領(lǐng)域，如何實(shí)現(xiàn)高效、可靠且緊湊的設(shè)計(jì)一直是工程師們關(guān)注的焦點(diǎn)。onsemi推出的NCP45732負(fù)載管理設(shè)備，憑借其先進(jìn)的功能和出色的性能，為電源領(lǐng)域帶來(lái)了新的解決方案。

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1. 產(chǎn)品概述

NCP45732旨在為高效電源域切換提供組件和面積縮減解決方案，通過(guò)軟啟動(dòng)實(shí)現(xiàn)浪涌電流限制。它將控制和驅(qū)動(dòng)功能與高性能低導(dǎo)通電阻（$R_{ON}$）功率MOSFET集成在單個(gè)封裝中，提供故障保護(hù)和電源良好信號(hào)的監(jiān)控功能。這種經(jīng)濟(jì)高效的解決方案非常適合USB Type - C端口的電源管理和斷開(kāi)功能，以及需要小尺寸、低功耗的電源管理應(yīng)用。

框圖

2. 核心特性

2.1 先進(jìn)的控制器與低$R_{ON}$ MOSFET

集成了帶電荷泵的N溝道MOSFET，典型$R_{ON}$僅為11.7mΩ，能有效降低導(dǎo)通損耗。通過(guò)控制轉(zhuǎn)換速率實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，可減少浪涌電流對(duì)系統(tǒng)的沖擊。

2.2 豐富的保護(hù)與監(jiān)測(cè)功能

具備故障檢測(cè)功能，并通過(guò)電源良好（PG）輸出信號(hào)進(jìn)行狀態(tài)指示。提供熱關(guān)斷、欠壓鎖定、短路保護(hù)和可調(diào)節(jié)過(guò)流保護(hù)等多重保護(hù)機(jī)制，確保設(shè)備在各種異常情況下的安全性。

2.3 寬輸入電壓范圍與低功耗

輸入電壓范圍為3V至24V，能適應(yīng)多種電源環(huán)境。極低的待機(jī)電流，有助于降低系統(tǒng)功耗，延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間。

2.4 環(huán)保合規(guī)

該設(shè)備符合無(wú)鉛、RoHS/REACH標(biāo)準(zhǔn)，滿足環(huán)保要求。

3. 典型應(yīng)用場(chǎng)景

• USB Type - C電源傳輸：為USB Type - C端口提供可靠的電源管理和負(fù)載切換功能。
• 服務(wù)器、機(jī)頂盒和網(wǎng)關(guān)：保障設(shè)備的電源穩(wěn)定性和可靠性。
• 筆記本和平板電腦：滿足移動(dòng)設(shè)備對(duì)小尺寸、低功耗電源管理的需求。
• 電信、網(wǎng)絡(luò)、醫(yī)療和工業(yè)設(shè)備：適用于對(duì)電源質(zhì)量和可靠性要求較高的領(lǐng)域。
• 熱插拔設(shè)備和外設(shè)端口：支持熱插拔操作，方便設(shè)備的維護(hù)和擴(kuò)展。

4. 引腳配置與功能

5. 電氣特性

5.1 導(dǎo)通電阻

在不同的$V{cc}$和$V{IN}$條件下，典型導(dǎo)通電阻$R_{ON}$為11.7mΩ，最大值為13.5mΩ，確保了低功耗和高效的功率傳輸。

5.2 電流特性

• 泄漏電流：$V{EN}= 0V$，$V{IN}=24V$時(shí)，$V{IN}$到$V{OUT}$的泄漏電流在 - 100nA至100nA之間。
• 控制電流：不同$V{EN}$和$V{IN}$條件下，$V{IN}$到$V{ss}$的控制電流有明確的范圍。
• 待機(jī)電流和動(dòng)態(tài)電流：待機(jī)電流典型值為1μA，最大值為5μA；動(dòng)態(tài)電流典型值為350μA，最大值為500μA。

5.3 其他特性

• 泄放電阻：典型值為100kΩ，范圍在75kΩ至200kΩ之間。
• EN輸入電壓：高電平輸入電壓$V{IH}$為2V，低電平輸入電壓$V{IL}$最大為0.8V。

6. 保護(hù)機(jī)制

6.1 短路保護(hù)（硬短路）

當(dāng)檢測(cè)到輸出$V{OUT}$硬短路到地時(shí)，電路會(huì)監(jiān)測(cè)$V{IN}$和$V{OUT}$引腳之間的電壓差。當(dāng)差值達(dá)到短路保護(hù)閾值電壓時(shí)，MOSFET關(guān)閉，負(fù)載泄放激活。設(shè)備將保持關(guān)閉并鎖定在故障狀態(tài)，直到EN信號(hào)切換或$V{CC}$電源電壓循環(huán)，此時(shí)MOSFET將以正常的輸出開(kāi)啟延遲和轉(zhuǎn)換速率受控開(kāi)啟。

6.2 過(guò)流保護(hù)（軟短路）

當(dāng)$V{IN}$引腳到$V{OUT}$引腳的電流超過(guò)過(guò)流保護(hù)（OCP）閾值的時(shí)間超過(guò)消隱時(shí)間時(shí)，MOSFET將關(guān)閉，PG引腳拉低。與短路保護(hù)類似，設(shè)備將鎖定在故障狀態(tài)，直到EN信號(hào)切換或$V_{CC}$電源電壓循環(huán)。過(guò)流保護(hù)觸發(fā)點(diǎn)可通過(guò)外部電阻連接到OCP引腳進(jìn)行調(diào)整。

6.3 熱關(guān)斷

當(dāng)檢測(cè)到過(guò)溫情況時(shí)，熱關(guān)斷電路將關(guān)閉MOSFET并激活負(fù)載泄放。當(dāng)結(jié)溫下降到由熱滯回決定的安全工作溫度時(shí)，設(shè)備將退出熱關(guān)斷狀態(tài)。如果EN信號(hào)仍然有效，MOSFET將以正常的輸出開(kāi)啟延遲和轉(zhuǎn)換速率受控開(kāi)啟。為了降低待機(jī)電流，當(dāng)EN信號(hào)無(wú)效時(shí)，熱關(guān)斷電路將被禁用。

6.4 欠壓鎖定

當(dāng)輸入電壓$V{IN}$下降到欠壓鎖定閾值以下時(shí)，欠壓鎖定電路將關(guān)閉MOSFET并激活負(fù)載泄放。當(dāng)$V{IN}$電壓上升到欠壓鎖定閾值以上，且EN信號(hào)仍然有效時(shí)，MOSFET將以正常的輸出開(kāi)啟延遲和轉(zhuǎn)換速率受控開(kāi)啟。同樣，為了降低待機(jī)電流，當(dāng)EN信號(hào)無(wú)效時(shí)，欠壓鎖定電路將被禁用。

7. 應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

7.1 使能控制

NCP45732采用高電平有效配置來(lái)使能MOSFET。當(dāng)EN引腳處于邏輯高電平，且$V_{CC}$電源引腳施加了足夠的電壓時(shí)，MOSFET將被使能；當(dāng)EN引腳處于邏輯低電平時(shí)，MOSFET將被禁用。EN引腳上的內(nèi)部下拉電阻確保在未驅(qū)動(dòng)時(shí)MOSFET處于禁用狀態(tài)。

7.2 轉(zhuǎn)換速率控制

通過(guò)在SR引腳和地之間添加外部電容，可以降低轉(zhuǎn)換速率。設(shè)備的轉(zhuǎn)換速率將取默認(rèn)轉(zhuǎn)換速率和調(diào)整后轉(zhuǎn)換速率中的較低值。如果外部電容$C{SR}$不足以將轉(zhuǎn)換速率降低到低于指定的默認(rèn)值，則設(shè)備的轉(zhuǎn)換速率將為默認(rèn)值。轉(zhuǎn)換速率可通過(guò)公式$Slew Rate =\frac{K{SR}}{C{SR}}[V / s]$計(jì)算，其中$K{SR}$為指定的轉(zhuǎn)換速率控制常數(shù)，$C_{SR}$為添加在SR引腳和地之間的電容。

7.3 容性負(fù)載

應(yīng)用負(fù)載電容初始充電時(shí)的峰值浪涌電流需要保持在指定的$I{max}$以下。容性負(fù)載$C{L}$應(yīng)小于$C{max}$，$C{max}$可通過(guò)公式$C{max }=\frac{I{max }}{SR{typ }}$計(jì)算，其中$I{max}$為最大負(fù)載電流，$SR_{typ}$為未在SR引腳添加外部負(fù)載電容時(shí)的典型默認(rèn)轉(zhuǎn)換速率。

7.4 關(guān)斷到導(dǎo)通轉(zhuǎn)換能量耗散

在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間，由于低$R{ON}$，從$V{IN}$到$V{OUT}$的負(fù)載電流引起的能量耗散非常低。當(dāng)EN信號(hào)置為高電平時(shí)，負(fù)載開(kāi)關(guān)從關(guān)斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換到導(dǎo)通狀態(tài)。在此期間，從$V{IN}$到$V{OUT}$的電阻從高阻抗轉(zhuǎn)換到$R{ON}$，設(shè)備會(huì)在短時(shí)間內(nèi)耗散額外的能量。關(guān)斷到導(dǎo)通轉(zhuǎn)換期間的最壞情況能量耗散可通過(guò)公式$E=0.5 \cdot V{I N}\left(I{INRUSH }+0.8 \cdot I{LOAD }\right) \cdot dt$近似計(jì)算，其中$V{IN}$為$V{IN}$引腳上的電壓，$I{INRUSH}$為$V{OUT}$上的電容負(fù)載引起的浪涌電流，$dt$為$V{OUT}$從0V上升到$V{IN}$所需的時(shí)間。$I{INRUSH}$可通過(guò)公式$I{INRUSH }=\frac{dv}{dt} \cdot C{L}$計(jì)算，其中$dv/dt$為編程的轉(zhuǎn)換速率，$C{L}$為$V{OUT}$上的電容負(fù)載。為了防止設(shè)備出現(xiàn)熱鎖定或損壞，關(guān)斷到導(dǎo)通轉(zhuǎn)換期間的能量耗散應(yīng)限制在操作范圍表中列出的$E_{TRANS}$以內(nèi)。

8. 總結(jié)

onsemi的NCP45732負(fù)載管理設(shè)備以其先進(jìn)的功能、豐富的保護(hù)機(jī)制和出色的電氣性能，為電源管理應(yīng)用提供了一個(gè)可靠、高效的解決方案。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，工程師們需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景，合理配置引腳參數(shù)，充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。同時(shí)，在面對(duì)不同的負(fù)載情況和異常情況時(shí)，要充分利用其保護(hù)機(jī)制，避免設(shè)備損壞和系統(tǒng)故障。大家在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過(guò)類似負(fù)載管理設(shè)備的挑戰(zhàn)呢？又有哪些獨(dú)特的解決方案呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。