双向过压过流保护器件NCP370 的原理及应用

双向过压过流保护器件NCP370 的原理及应用

0 引言
    NCP370是安森美半导体(0N Semiconductor)公司生产的具有过压、过流保护及反向控制功能的集成双向保护器件。该器件可以提供高达+28V的正向保护和低至-28 V的负向保护功能，从而提高对便携设备前端的保护。NCP370采用了创新架构，可在器件内部为连接在底部连接器并以锂离子电池供电的外部附件提供OCP保护，而无需使用外部OCP器件。另外，NCP370还集成有低导通阻抗(Ron)的N沟道MOSFET，可有效支持便携设备中的锂离子电池所要求的1．3 A的直接充电电流，并可进一步降低系统成本。

1 NCP370的特点功能
1．1 NCP370的主要特点
    NCP370是一种双向保护器件，通过该器件所提供的“反向”模式，可对便携设备电池的反向电流进行稳流，并可为连接在便携设备底部连接器上的FM收发器、音频或闪光等外部设备进行供电。因此，NCP370可为手机、数码相机、MP3／4、个人数字助理(PDA)和GPS系统提供正向及负向(+／-)过压保护(OVP)，并为调频(FM)收发器、负载扬声器／蜂鸣器和闪光模块等便携附件提供过流保护(OCP)。
    NCP370过压过流保护器的主要特性如下：
    ◇具有高达+28 V的过压保护功能和低至-28 V的欠压保护功能；
    ◇带有反向充电控制引脚／REV和正向充电控制引脚／DIR；
    ◇具有过流保护和热关断功能；
    ◇内含低RDS(on)N沟道MOS晶体管，RDS(on)典型值为130 mΩ；
    ◇具有过压锁定(OVLO)和欠压锁定(OV-LO)功能；
    ◇具有软启动功能；
    ◇带有报警输出引脚／FLAG；
    ◇符合IEC61000-4-2(4级)标准，普通绝缘电压为8 kV，空气绝缘电压为15 kV；
    ◇采用3×3 mm的TLLGA-12无铅封装，符合RoHS无铅封装要求。
1．2 NCP370的引脚功能
    NCP370采用3 mm×3 mm×0．55 mm LLGA-12无铅封装，图1所示是其引脚排列图，各引脚的功能如下：

    IN：电源输入引脚，应与公共电源进行硬线连接，并应使用1 μF或更大的低ESR陶瓷电容与GND相连，以进行电源滤波；
    GND：接地端；
    RES：预留输入端，不用时可与GND相连；
    Ilim：限流输出端，采用电池为外设供电时，NCP370内部会生成一个带隙电压基准，并以该基准来进行限流，然后通过内部N-MOSFET来达到限流的目的。若在该引脚连接一个容差为1％的电容，则其过流门限的精度最高；
    REV：反向充电控制输入端，需与DIR引脚配合使用。当电池接OUT端时，NCP370内部的N沟道MOS管开启，器件进入反向模式，此时，器件内部的过流保护电路工作。而当NCP370的反向模式失效时，进入OUT端的电流将大幅降低，以避免电池放电。
    DIR：正向模式输入端，需与REV结合起来使用。当墙上适配器AC-DC连接到IN端时，NCP370内部的N沟道MOS管开启，电路进入正向模式。而当该端和REV均为高时，NCP370进入关断模式，此时，输出将与输入断开。但DIR端的状态不会影响到FLAG的故障检测。

FLAG，故障指示输出端，NCP370也允许通过外部电路来判断故障。当出现输入电压高于OVLO阀值或低于UVLO阀值、电池到外设的充电电流超过门限、或内部温度高于关断电流门限值时，该端置低。由于FLAG端为开漏输出，故应在该端口与Vbat之间加一上拉电阻(最小10 kΩ)。
    OUT：电压输出端，当检测到“无输入故障”时，该引脚会随IN端输出。而当输入电压低于欠压阀值、或高于过压阀值、或有热关断发生时，该输出端会与Vin断开。一般情况下，在反向模式，NCP370将通过OUT端来供电。
    NC：悬空端；
    PAD1：该引脚通常用于给内部MOSFET散热，使用时应将它焊接到独立的PCB区域，且不能有任何潜在的接触。

2 工作原理
    NCP370提供有两种工作模式：正向模式和反向模式，两种工作模式可通过器件的逻辑引脚来进行设置。第一种是指用墙上适配器为系统提供电源的工作模式。在这种模式下，NCP370的正向保护电压和反向保护电压分别可达+28 V和-28 V。而且当系统输入电压超过过压阀值(OV-LO)或低于欠压阀值(UVLO)时，墙上适配器(或AC／DC充电器)会自动断开。通常在NCP370上电期间，如Vin超过欠压阀值，Vout会再延迟30ms。
    第二种为反向模式，即由系统电池或升压器给外部设备提供电源的充电模式。在这种模式下，外设必须接到NCP370的输入端(系统底部连接器)，而电池则应与其输出端相连。同时，NCP370内部的过流保护电路也会被激活，这样可以防止外设故障和电池放电。另外，NCP370还带有一个反向故障指示输出端(FLAG)，该端口可在故障发生时，用于向系统报警。若在其输入端旁路一个1μF或更大的电容，NCP370还可以进行ESD保护(15 kV的空气放电)。
    在NCP370上电期间，若DIR为低，且REV为高，同时输入电压高于UVLO，那么，其输出电压仍然会持续30 ms的时间。而当输出信号升高后，FLAG信号也会持续30 ms。
    将外设连到IN端，NCP370便可进入反向模式。此时，外设内部的电池可由NCP370的OUT端来供电。在反向模式下，NCP370的REV端必须置低，这样，当外设发生过压、欠压或过流等故障时，NCP370内部的过压、欠压或过流保护电路才会起作用，同时其FLAG也才会向系统发出报警信号。图2所示是NCP370的内部功能框图。

2．1 欠压锁定电路(UVLO)
    NCP370M芯片内部集成有欠压锁定电路，该电路可以确保在任何条件下使AC／DC (或墙上充电适配器)正常开启。在Vin正向上升期间，如果电压低于UVLO阀值，NCP370的输出与输入为断开状态，且FLAG输出置低。应当注意的是：该欠压锁定电路具有60 mV的滞后，可用以提高瞬变干扰。当NCP370工作在反向模式时(REV<=0．55 V，DIR>=1．2 V)，其内部的UVLO和OVLO比较器均不工作。
2．2 过压锁定电路
    NCP370内部的过压锁定电路，可用以防止Vout端系统的过压损坏。一旦NCP370的输入电压高于OVLO阀值，其输出就会失效，且FLAG会输出低电平。该过压锁定电路也有80 mV的滞后，可提高电压瞬变时的抗扰性。另外，NCP370的OVLO阀值还可以手工设置。
2．3 系统电压锁定
    当DIR为低，同时REF也为低时，通过墙上适配器(输入)可为系统(输出)供电，此时，NCP370内部的第二个过压比较器将起作用，但此时其RDS(on)会高些，电流接近10mA。事实上，在测试产品期间(25℃条件下)，其输入电压可以高些(OVLO的典型值为8．27 V)。
2．4 故障报警输出
    NCP370内含一个FLAG报警提示引脚。一旦NCP370检测到输入电压高于OVLO阀值、低于U-VLO阀值或过流、过压等故障，FLAG端就会置低，并通知微控制器采取适当的措施。而当输入电压恢复到正常范围时，FIAG又会在经过一个延迟后置高，随后使Vout恢复输出，其工作时序如图3所示。

    由于FLAG是开漏输出，因此，在电源端必须接一个上拉电阻(最小10 kΩ)。当NCP370的温度过高时，其FLAG会置低，并将输出与输入断开。通过FLAG引脚可以随时反映Vin状态，即使在设备关闭(DIR=0)情况下，也不例外。这样，在反向模式下，微控制器也可以根据其FLAG引脚的状态变化来正确处理过压、过流及热关断等故障。

2．5 DIR输入
    将NCP370的DIR端强制拉低，并将DEV端拉高，NCP370即可进入正向充电状态。而将DIR端置高时，OUT端会与IN端断开，具体的充电状态设置如表1所列。另外，DIR也会受到OVLO或U-VLO故障的影响(FLAG有效)。

3 典型应用
    NCP370具有保护电压下降的功能，通过该功能可使电路免受IN端反向电压的影响。当出现反向电压时，NCP370的输出将与输入端断开。
    图4所示是NCP370的典型应用电路。

    将NCP370的DIR端强制置高(>1．2 V)，且将DEV端置低(<0．55 V)，NCP370便可进入反向供电状态，此时系统内的电源可以向置于底部连接器的外设供电。而NCP370则由电池来供电，范围为2．5～5．5 V，而且此时的OCP和热关断模式同样起作用。
    当外设电阻Rlim上的电流(Ilim)高于Iocp时，流过其内部N沟道MOS管的电流就会受到限制，这样，NCP370就能提供从电池到外设的反向过流保护功能。由于NCP370的内部电阻与Ilim是串联关系，因此，当Ilim引脚直接与GND相连时，其OCP最大，而在它们之间接入Rlim时，其OCP会减小，OCP的取值大小如表2所列。当电流高于OCP时，其内部的NMOS会关断，且／FIAG会置低，同时NCP370会通知微控制器来对故障进行处理，并禁止反向充电模式。

    通过NCP370内部的热关断保护电路，可在温度过高时关断内部MOSFET，从而及时为器件降温。NCP370所允许的最高热关断值为150℃，超过这个温度，FLAG就会置低，并通知MCU。但是，由于NCP370芯片还具有30℃的热滞，因此，只有在温度低于120℃时，其芯片内部的MOSFET才能开启；而在高于120℃时，NCP370会一直处于热关断状态。此后，故障消除，芯片即可恢复正常工作。 NCP370在OUT端内部集成有2个低RDS(on)的N沟道MOS管，可用以实现对OUT端外系统在过压、负向电压及反向电流下的保护。通常，N沟道MOS管的这种RDS(on)特性会在OUT端引入少量损耗。

4 结束语
    NCP370是安森美半导体公司针对便携式应用系统产品最新推出的重要器件，该器件可为手机、数码相机、MP3／4、个人数字助理(PDA)和GPS系统提供28 V的正向及负向过压和过流保护(OVP)。此外，NCP370还提供有“反向”模式，可实现便携式设备电池中反向电流的稳流，故可广泛用于便携式设备底部连接器上FM收发器以及音频和闪光等功能附件电路的供电。