雙向過(guò)壓過(guò)流保護(hù)器件NCP370 的原理及應(yīng)用

0 引言
    NCP370是安森美半導(dǎo)體(0N Semiconductor)公司生產(chǎn)的具有過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)及反向控制功能的集成雙向保護(hù)器件。該器件可以提供高達(dá)+28V的正向保護(hù)和低至-28 V的負(fù)向保護(hù)功能，從而提高對(duì)便攜設(shè)備前端的保護(hù)。NCP370采用了創(chuàng)新架構(gòu)，可在器件內(nèi)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(hù)，而無(wú)需使用外部OCP器件。另外，NCP370還集成有低導(dǎo)通阻抗(Ron)的N溝道MOSFET，可有效支持便攜設(shè)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(jìn)一步降低系統(tǒng)成本。

1 NCP370的特點(diǎn)功能
1．1 NCP370的主要特點(diǎn)
    NCP370是一種雙向保護(hù)器件，通過(guò)該器件所提供的“反向”模式，可對(duì)便攜設(shè)備電池的反向電流進(jìn)行穩(wěn)流，并可為連接在便攜設(shè)備底部連接器上的FM收發(fā)器、音頻或閃光等外部設(shè)備進(jìn)行供電。因此，NCP370可為手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、MP3／4、個(gè)人數(shù)字助理(PDA)和GPS系統(tǒng)提供正向及負(fù)向(+／-)過(guò)壓保護(hù)(OVP)，并為調(diào)頻(FM)收發(fā)器、負(fù)載揚(yáng)聲器／蜂鳴器和閃光模塊等便攜附件提供過(guò)流保護(hù)(OCP)。
    NCP370過(guò)壓過(guò)流保護(hù)器的主要特性如下：
    ◇具有高達(dá)+28 V的過(guò)壓保護(hù)功能和低至-28 V的欠壓保護(hù)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(guò)流保護(hù)和熱關(guān)斷功能；
    ◇內(nèi)含低RDS(on)N溝道MOS晶體管，RDS(on)典型值為130 mΩ；
    ◇具有過(guò)壓鎖定(OVLO)和欠壓鎖定(OV-LO)功能；
    ◇具有軟啟動(dòng)功能；
    ◇帶有報(bào)警輸出引腳／FLAG；
    ◇符合IEC61000-4-2(4級(jí))標(biāo)準(zhǔn)，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(wú)鉛封裝，符合RoHS無(wú)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(wú)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(yīng)與公共電源進(jìn)行硬線連接，并應(yīng)使用1 μF或更大的低ESR陶瓷電容與GND相連，以進(jìn)行電源濾波；
    GND：接地端；
    RES：預(yù)留輸入端，不用時(shí)可與GND相連；
    Ilim：限流輸出端，采用電池為外設(shè)供電時(shí)，NCP370內(nèi)部會(huì)生成一個(gè)帶隙電壓基準(zhǔn)，并以該基準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行限流，然后通過(guò)內(nèi)部N-MOSFET來(lái)達(dá)到限流的目的。若在該引腳連接一個(gè)容差為1％的電容，則其過(guò)流門(mén)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(dāng)電池接OUT端時(shí)，NCP370內(nèi)部的N溝道MOS管開(kāi)啟，器件進(jìn)入反向模式，此時(shí)，器件內(nèi)部的過(guò)流保護(hù)電路工作。而當(dāng)NCP370的反向模式失效時(shí)，進(jìn)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(jié)合起來(lái)使用。當(dāng)墻上適配器AC-DC連接到IN端時(shí)，NCP370內(nèi)部的N溝道MOS管開(kāi)啟，電路進(jìn)入正向模式。而當(dāng)該端和REV均為高時(shí)，NCP370進(jìn)入關(guān)斷模式，此時(shí)，輸出將與輸入斷開(kāi)。但DIR端的狀態(tài)不會(huì)影響到FLAG的故障檢測(cè)。[!--empirenews.page--]
    FLAG，故障指示輸出端，NCP370也允許通過(guò)外部電路來(lái)判斷故障。當(dāng)出現(xiàn)輸入電壓高于OVLO閥值或低于UVLO閥值、電池到外設(shè)的充電電流超過(guò)門(mén)限、或內(nèi)部溫度高于關(guān)斷電流門(mén)限值時(shí)，該端置低。由于FLAG端為開(kāi)漏輸出，故應(yīng)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(dāng)檢測(cè)到“無(wú)輸入故障”時(shí)，該引腳會(huì)隨IN端輸出。而當(dāng)輸入電壓低于欠壓閥值、或高于過(guò)壓閥值、或有熱關(guān)斷發(fā)生時(shí)，該輸出端會(huì)與Vin斷開(kāi)。一般情況下，在反向模式，NCP370將通過(guò)OUT端來(lái)供電。
    NC：懸空端；
    PAD1：該引腳通常用于給內(nèi)部MOSFET散熱，使用時(shí)應(yīng)將它焊接到獨(dú)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(guò)器件的邏輯引腳來(lái)進(jìn)行設(shè)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(hù)電壓和反向保護(hù)電壓分別可達(dá)+28 V和-28 V。而且當(dāng)系統(tǒng)輸入電壓超過(guò)過(guò)壓閥值(OV-LO)或低于欠壓閥值(UVLO)時(shí)，墻上適配器(或AC／DC充電器)會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)。通常在NCP370上電期間，如Vin超過(guò)欠壓閥值，Vout會(huì)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(shè)備提供電源的充電模式。在這種模式下，外設(shè)必須接到NCP370的輸入端(系統(tǒng)底部連接器)，而電池則應(yīng)與其輸出端相連。同時(shí)，NCP370內(nèi)部的過(guò)流保護(hù)電路也會(huì)被激活，這樣可以防止外設(shè)故障和電池放電。另外，NCP370還帶有一個(gè)反向故障指示輸出端(FLAG)，該端口可在故障發(fā)生時(shí)，用于向系統(tǒng)報(bào)警。若在其輸入端旁路一個(gè)1μF或更大的電容，NCP370還可以進(jìn)行ESD保護(hù)(15 kV的空氣放電)。
    在NCP370上電期間，若DIR為低，且REV為高，同時(shí)輸入電壓高于UVLO，那么，其輸出電壓仍然會(huì)持續(xù)30 ms的時(shí)間。而當(dāng)輸出信號(hào)升高后，F(xiàn)LAG信號(hào)也會(huì)持續(xù)30 ms。
    將外設(shè)連到IN端，NCP370便可進(jìn)入反向模式。此時(shí)，外設(shè)內(nèi)部的電池可由NCP370的OUT端來(lái)供電。在反向模式下，NCP370的REV端必須置低，這樣，當(dāng)外設(shè)發(fā)生過(guò)壓、欠壓或過(guò)流等故障時(shí)，NCP370內(nèi)部的過(guò)壓、欠壓或過(guò)流保護(hù)電路才會(huì)起作用，同時(shí)其FLAG也才會(huì)向系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。圖2所示是NCP370的內(nèi)部功能框圖。

2．1 欠壓鎖定電路(UVLO)
    NCP370M芯片內(nèi)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(kāi)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(kāi)狀態(tài)，且FLAG輸出置低。應(yīng)當(dāng)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(dāng)NCP370工作在反向模式時(shí)(REV<=0．55 V，DIR>=1．2 V)，其內(nèi)部的UVLO和OVLO比較器均不工作。
2．2 過(guò)壓鎖定電路
    NCP370內(nèi)部的過(guò)壓鎖定電路，可用以防止Vout端系統(tǒng)的過(guò)壓損壞。一旦NCP370的輸入電壓高于OVLO閥值，其輸出就會(huì)失效，且FLAG會(huì)輸出低電平。該過(guò)壓鎖定電路也有80 mV的滯后，可提高電壓瞬變時(shí)的抗擾性。另外，NCP370的OVLO閥值還可以手工設(shè)置。
2．3 系統(tǒng)電壓鎖定
    當(dāng)DIR為低，同時(shí)REF也為低時(shí)，通過(guò)墻上適配器(輸入)可為系統(tǒng)(輸出)供電，此時(shí)，NCP370內(nèi)部的第二個(gè)過(guò)壓比較器將起作用，但此時(shí)其RDS(on)會(huì)高些，電流接近10mA。事實(shí)上，在測(cè)試產(chǎn)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(bào)警輸出
    NCP370內(nèi)含一個(gè)FLAG報(bào)警提示引腳。一旦NCP370檢測(cè)到輸入電壓高于OVLO閥值、低于U-VLO閥值或過(guò)流、過(guò)壓等故障，F(xiàn)LAG端就會(huì)置低，并通知微控制器采取適當(dāng)?shù)拇胧?。而?dāng)輸入電壓恢復(fù)到正常范圍時(shí)，F(xiàn)IAG又會(huì)在經(jīng)過(guò)一個(gè)延遲后置高，隨后使Vout恢復(fù)輸出，其工作時(shí)序如圖3所示。

    由于FLAG是開(kāi)漏輸出，因此，在電源端必須接一個(gè)上拉電阻(最小10 kΩ)。當(dāng)NCP370的溫度過(guò)高時(shí)，其FLAG會(huì)置低，并將輸出與輸入斷開(kāi)。通過(guò)FLAG引腳可以隨時(shí)反映Vin狀態(tài)，即使在設(shè)備關(guān)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(jù)其FLAG引腳的狀態(tài)變化來(lái)正確處理過(guò)壓、過(guò)流及熱關(guān)斷等故障。[!--empirenews.page--]
2．5 DIR輸入
    將NCP370的DIR端強(qiáng)制拉低，并將DEV端拉高，NCP370即可進(jìn)入正向充電狀態(tài)。而將DIR端置高時(shí)，OUT端會(huì)與IN端斷開(kāi)，具體的充電狀態(tài)設(shè)置如表1所列。另外，DIR也會(huì)受到OVLO或U-VLO故障的影響(FLAG有效)。

3 典型應(yīng)用
    NCP370具有保護(hù)電壓下降的功能，通過(guò)該功能可使電路免受IN端反向電壓的影響。當(dāng)出現(xiàn)反向電壓時(shí)，NCP370的輸出將與輸入端斷開(kāi)。
    圖4所示是NCP370的典型應(yīng)用電路。

    將NCP370的DIR端強(qiáng)制置高(>1．2 V)，且將DEV端置低(<0．55 V)，NCP370便可進(jìn)入反向供電狀態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)的電源可以向置于底部連接器的外設(shè)供電。而NCP370則由電池來(lái)供電，范圍為2．5～5．5 V，而且此時(shí)的OCP和熱關(guān)斷模式同樣起作用。
    當(dāng)外設(shè)電阻Rlim上的電流(Ilim)高于Iocp時(shí)，流過(guò)其內(nèi)部N溝道MOS管的電流就會(huì)受到限制，這樣，NCP370就能提供從電池到外設(shè)的反向過(guò)流保護(hù)功能。由于NCP370的內(nèi)部電阻與Ilim是串聯(lián)關(guān)系，因此，當(dāng)Ilim引腳直接與GND相連時(shí)，其OCP最大，而在它們之間接入Rlim時(shí)，其OCP會(huì)減小，OCP的取值大小如表2所列。當(dāng)電流高于OCP時(shí)，其內(nèi)部的NMOS會(huì)關(guān)斷，且／FIAG會(huì)置低，同時(shí)NCP370會(huì)通知微控制器來(lái)對(duì)故障進(jìn)行處理，并禁止反向充電模式。

    通過(guò)NCP370內(nèi)部的熱關(guān)斷保護(hù)電路，可在溫度過(guò)高時(shí)關(guān)斷內(nèi)部MOSFET，從而及時(shí)為器件降溫。NCP370所允許的最高熱關(guān)斷值為150℃，超過(guò)這個(gè)溫度，F(xiàn)LAG就會(huì)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(shí)，其芯片內(nèi)部的MOSFET才能開(kāi)啟；而在高于120℃時(shí)，NCP370會(huì)一直處于熱關(guān)斷狀態(tài)。此后，故障消除，芯片即可恢復(fù)正常工作。 NCP370在OUT端內(nèi)部集成有2個(gè)低RDS(on)的N溝道MOS管，可用以實(shí)現(xiàn)對(duì)OUT端外系統(tǒng)在過(guò)壓、負(fù)向電壓及反向電流下的保護(hù)。通常，N溝道MOS管的這種RDS(on)特性會(huì)在OUT端引入少量損耗。

4 結(jié)束語(yǔ)
    NCP370是安森美半導(dǎo)體公司針對(duì)便攜式應(yīng)用系統(tǒng)產(chǎn)品最新推出的重要器件，該器件可為手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、MP3／4、個(gè)人數(shù)字助理(PDA)和GPS系統(tǒng)提供28 V的正向及負(fù)向過(guò)壓和過(guò)流保護(hù)(OVP)。此外，NCP370還提供有“反向”模式，可實(shí)現(xiàn)便攜式設(shè)備電池中反向電流的穩(wěn)流，故可廣泛用于便攜式設(shè)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。