解析ISL6310EVAL1Z兩相位降壓轉換器評估板

在現代眾多電源系統應用中，如DDR/芯片組核心電壓調節器、大電流低壓DC/DC轉換器等，都對電源管理IC提出了更高的要求。ISL6310EVAL1Z就是這樣一款滿足高要求的評估板，下面將對其進行詳細解析。

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一、ISL6310芯片特性

（一）設計創新

ISL6310是一款節省空間、成本效益高的解決方案。它是集成了大電流MOSFET驅動器的兩相PWM控制IC，將5V - 12V大電流MOSFET驅動器集成到控制器IC中，與以往多相產品系列的獨立PWM控制器和驅動器配置不同，減少了外部元件數量，實現了成本和空間的節省。

（二）輸出電壓編程

輸出電壓可以通過片上DAC或外部精密參考進行編程。DAC參考可通過兩位代碼編程為4種可能值（0.6V、0.9V、1.2V和1.5V）之一。同時，提供單位增益差分放大器用于遠程電壓感應，補償遠程和本地接地之間的任何電位差，還可通過單個外部電阻對輸出電壓進行偏移。此外，還實現了可選的下垂功能，對于輸出電壓變化要求不太嚴格或階躍負載不太嚴重的應用，可禁用該功能。

（三）獨特的電流傳感方式

ISL6310獨特地結合了DCR和rDS(ON)電流傳感。通過連續的電感DCR電流傳感實現負載線電壓定位和過流保護，而rDS(ON)電流傳感用于精確的通道電流平衡，充分利用了兩種技術的優勢。

（四）保護功能

該控制器IC具有一套復雜的過壓和過流保護功能。過壓時，轉換器會導通下MOSFET以鉗位上升的輸出電壓，保護負載，還提供OVP輸出以驅動可選的撬棒裝置。過流保護水平通過單個外部電阻設置，此外還具備針對遠程傳感輸入開路的保護功能，為輸出負載提供了高級保護。

二、ISL6310EVAL1Z評估板設計

（一）評估套件組成

評估套件包括ISL6310EVAL1Z評估板、ISL6310數據手冊和本應用筆記。評估板針對無下垂的兩相操作進行了優化，標稱輸出電壓為1.5V（DIP開關U2設置為11位置），最大輸出電流為60A。

（二）評估板特點

1. 測試點與電壓選擇：評估板提供方便的測試點、用于從4種可能值（0.6V、0.9V、1.2V和1.5V）中選擇DAC（REF）電壓的DIP開關、用于將輸出電壓調整至2.3V的電阻分壓器占位，以及板載瞬態負載發生器，便于評估過程。板載LED用于指示PGOOD信號的狀態。
2. PCB設計：印刷電路板采用6層、2盎司銅設計，應用筆記末尾提供了布局圖和零件清單。

三、快速啟動評估步驟

（一）準備工作

在對評估板進行任何操作之前，確保“Enable”開關（S1）和“Transient Load Generator”開關（S2）都處于ON位置，分別對應轉換器禁用和瞬態負載發生器關閉。

（二）電源連接

1. 在J7和J8之間連接一個12V、10A的實驗室電源，該電源提供VIN和PVCC（原始板配置）。
2. 在J23和GND之間連接一個5V、1A的實驗室電源，該電源提供VCC偏置（如果板配置為5V PVCC，則也提供PVCC偏置）。

（三）設置參考電壓

將“REF Selection” DIP開關（U2）設置為11，對應(DAC = REF = 1.5V)，默認情況下評估板設置為1.5V的參考電壓。

（四）連接負載

在VOUT端子（J1、J2）和GND端子（J3、J4）之間連接負載（電阻性或電子負載）。

（五）啟動調節

將“Enable”開關（S1）移至OFF位置，釋放IC ENLL引腳使其上升，開始調節。之后，ISL6310EVAL1Z應在“V ("VoUT+") 和 ("VoUT") -”測試點（P20、P21）和J5處將輸出電壓調節到REF電壓，“PGOOD Indicator” LED（D1）應變為綠色，表明調節器正常工作。

四、評估板功能特性

（一）輸入電源連接

ISL6310EVAL1Z允許使用標準實驗室電源為板供電，提供兩個香蕉插頭用于連接實驗室電源。將+5V端子連接到P23，+12V端子連接到J7，公共接地連接到端子J8，為評估板供電時不需要電壓排序。電源施加到板上后，PGOOD LED指示燈將開始亮起紅色，當S1處于ON位置時，ISL6310的ENABLE輸入被拉低，啟動序列被抑制。

（二）輸出電源連接

評估板的輸出可以使用電阻性或電子負載進行測試，銅合金端子提供負載連接點。將正負載連接到VOUT端子J1和J2，負負載連接到接地端子J3和J4，屏蔽示波器探頭測試點J5允許檢查輸出電壓VOUT。

（三）REF和VOUT設置

REF DIP開關預設為11（1.500V），也可以使用DIP開關上的不同代碼選擇1.2V、0.9V和0.6V輸出。如果需要不同于4種可能REF值的輸出電壓，可以使用由R90（初始為0Ω）和R81（初始開路）組成的輸出電阻分壓器（參考數據表和“調整輸出電壓”部分進行電阻值計算）。當REF電壓設置為1.5V時，ISL6310可用于高達2.3V的輸出電壓。

（四）PVCC電源選項

ISL6310的一個獨特功能是集成驅動器的可變柵極驅動偏置，內部驅動器的柵極驅動電壓可以是+5V到+12V之間的任何電壓，只需將所需電壓連接到控制器的PVCC引腳。評估板設計支持多種PVCC電壓選項，通過填充和移除某些電阻可以在不同的PVCC電壓之間切換，評估板上有+5V、+12V和+8V（來自板載線性穩壓器）三種板載電壓可用。

（五）啟用控制器

要啟用控制器，必須為板供電，設置REF（DAC）代碼，并設置PVCC和VCC電壓。如果正確遵循這些步驟，通過將“ENABLE”開關（S1）切換到OFF位置來啟用調節器。當S1切換到OFF時，ISL6310的ENLL引腳電壓將上升到0.66V的ENLL閾值以上，控制器將開始其數字軟啟動序列，輸出電壓上升到編程設置，此時PGOOD指示燈將從紅色變為綠色。

（六）板載負載瞬態發生器

大多數臺式電子負載無法產生模擬大多數現代負載所需的電流變化率，因此評估板上提供了一個離散的瞬態負載發生器。該發生器產生持續時間為500μs、周期為27ms的負載脈沖，脈沖幅度約為25A，上升和下降變化率約為50A/μs。要啟動負載發生器，只需將開關S2置于“OFF”位置。如果DAC代碼從11（1.500V）更改，必須相對于新的輸出電壓水平調整瞬態發生器的動態。

（七）電感DCR靜態電流感測點

ISL6310EVAL1Z的一個獨特功能是能夠通過萬用表測量每個通道電感的DCR上的電壓降。這通過在每個電感上并聯一個電容和電阻串聯電路來實現，當電流(I_{L})流過電感時，DCR上產生的電壓降將被R - C電路感測到，并在電容C上產生等效電壓。由于該R - C電路的時間常數非常大，因此只能用于測量靜態電流，而不能測量瞬態電流。要計算每個電感中的電流，測量ISL6310EVAL1Z上“DCR SENSE”點的電壓，然后將該數值除以電感的DCR，即可得到靜態負載期間每個通道的準確電流讀數。

五、評估板設計修改

（一）電流平衡電阻

ISL6310使用下MOSFET rDS(ON)電流傳感來測量每個通道的電流并相應地進行平衡。如果ISL6310EVAL1Z上的下MOSFET發生更改，應更改電流平衡電阻R18和R20以適應rDS(ON)的變化。參考ISL6310數據表第19頁選擇新的電流感測電阻，R18調整通道1的電流，R20調整通道2的電流，這些電阻也可用于調整由于布局引起的任何電流不平衡。

（二）負載線（下垂）調節

ISL6310具有可選的下垂功能，ISL6310EVAL1Z評估板設計針對無下垂情況進行了優化。下垂選項的選擇可參考相關表格，若啟用下垂功能，需要重新計算補償網絡以實現最佳的環路響應和穩定性。ISL6310使用電感DCR傳感R - C網絡來創建與所有活動通道中的總電流成比例的輸出電壓變化（下垂），該網絡不僅能精確控制調節器的負載線，還能對DCR因溫度升高而可能導致的負載線偏移進行熱補償。

（三）過流保護水平

ISL6310使用單個電阻來設置IC過流保護電路的最大電流水平，參考ISL6310數據表第17頁，相應地調整電阻R11以設置所需的過流跳閘水平。

（四）輸出電壓偏移

ISL6310允許設計人員精確地對輸出電壓進行正負偏移，只需在OFS和VCC引腳之間或OFS引腳和GND之間連接一個電阻。ISL6310EVAL1Z板上提供了這兩種電阻選項，要正向偏移輸出電壓，填充電阻R5；要負向偏移輸出電壓，填充電阻R7。參考ISL6310數據表第13頁準確計算這些電阻值。

（五）開關頻率

ISL6310EVAL1Z板的開關頻率設置為400kHz的最佳值，對于給定設計，該頻率能提供最佳的效率和性能（(R13 = 60.4kΩ)）。然而，開關頻率可以在每相80kHz到1.5MHz之間調整。在實際應用中，許多因素會影響開關頻率的選擇，包括效率和柵極驅動損耗（取決于MOSFET選擇和柵極驅動電壓）。由于ISL6310集成了MOSFET驅動器，選擇開關頻率時必須考慮驅動器損耗。要更改開關頻率，參考ISL6310數據表第24頁，相應地調整頻率設置電阻R13的值。

（六）MOSFET柵極驅動電壓（PVCC）

ISL6310中集成驅動器的柵極驅動偏置電壓可以是+5V到+12V之間的任何電壓，通過將所需電壓連接到IC的PVCC引腳來設置該偏置電壓。

（七）活動相數

ISL6310具有1相或2相操作選項，ISL6310EVAL1Z通過簡單地填充或移除一兩個電阻R26和R29來改變活動相數。

六、ISL6310性能表現

（一）軟啟動間隔

ISL6310EVAL1Z的典型啟動波形展示了調節器DAC設置為1.50V時的軟啟動序列。在軟啟動間隔開始之前，VCC和PVCC高于POR，DAC設置為11。滿足這兩個條件后，將ENABLE開關切換到OFF位置，使ENLL引腳電壓上升到ISL6310的啟用閾值以上，開始軟啟動序列。在0.6ms的延遲時間內，由于控制器內軟啟動的實現方式，VOUT不會變化。經過這個延遲（大約等于240個開關周期）后，VOUT開始線性上升到DAC電壓。轉換器以400kHz運行時，這個上升過程大約需要4.3ms，在此期間，由于輸出電壓的受控建立，輸入電流ICC12也會緩慢上升。當VOUT達到DAC設定點時，PGOOD引腳上的內部下拉被釋放，PGOOD到VCC的電阻將PGOOD拉高，PGOOD LED指示燈從紅色變為綠色。對于啟動到預充電輸出的情況，ISL6310會保持兩組輸出MOSFET關閉，直到內部斜坡開始超過FB引腳處感測到的輸出電壓。

（二）瞬態響應

ISL6310EVAL1Z設計為無下垂，最大輸出負載電流為60A。負載階躍約為25A，瞬態期間的輸出電壓變化保持在峰峰值100mV以下，負載階躍在上升和下降沿的最大變化率約為50A/μs。板載負載瞬態發生器可提供指定的負載階躍，也可適應不同的負載階躍和電流變化率。在負載階躍發生時，輸出電容提供初始輸出電流，由于電容的ESR和ESL電壓降，VOUT會突然下降，控制器會立即響應，將PWM占空比增加到66%，然后降低占空比以穩定VOUT。負載脈沖結束時，負載電流回到0A，輸出電容吸收電感電流，導致VOUT突然上升，控制器會立即響應，將PWM占空比降至零，然后相應地增加以將VCORE調節到編程的1.5V水平。

（三）過流保護

當發生過流事件時，ISL6310會停止所有調節并保護敏感負載。它通過持續監測總輸出電流并將其與OCSET電阻R11設置的過流跳閘水平進行比較來實現。如果輸出電流超過跳閘水平，ISL6310會立即關閉上下MOSFET，使VOUT降至0V，控制器將UGATE和LGATE信號保持在該狀態4096個開關周期（在400kHz時為10.25ms），然后重新初始化軟啟動周期。如果導致過流跳閘的負載仍然存在，在軟啟動周期完成之前會再次發生過流跳閘，控制器將繼續嘗試無限期地循環軟啟動，直到負載電流降低或控制器被禁用。

（四）預POR過壓保護

在PVCC和VCC超過其POR水平之前，ISL6310設計為保護負載免受任何可能發生的過壓事件影響。通過從PHASE到LGATE連接一個內部10kΩ電阻，導通下MOSFET以控制輸出電壓，直到輸入電源電流限制自身并切斷。

（五）過壓保護

在正常運行期間，ISL6310持續監測輸出電壓。如果輸出電壓超過特定限制（內部設置），控制器會命令LGATE信號為高，導通下MOSFET以保持輸出電壓低于可能對負載造成損壞的水平。如果這導致輸入電源電壓降至ISL6310的POR水平以下，控制器會使用預POR過壓保護來確保輸出負載始終免受高壓尖峰的影響。

（六）效率

在室溫下且無氣流的熱平衡狀態下，對ISL6310EVAL1Z板在(VOUT = 1.5V)和(VOUT = 1.8V)時，從0A到60A加載的效率進行了測量。對于(PVCC = 12V)，(VOUT = 1.5V)時效率在35A時峰值略低于88%，在60A時穩定在約86%；(VOUT = 1.8V)時效率在35A時峰值略低于89%，在60A時穩定在約87%。對于(PVCC = 5V)，(VOUT = 1.5V)時效率在17A時峰值約為89%，在60A時降至約84%；(VOUT = 1.8V)時效率在20A時峰值約為90%，在60A時降至約86%。使用氣流可以提高整個負載范圍內的效率，并使組件保持較低溫度，從而提高可靠性和組件壽命。

七、評估板修改操作

（一）調整輸出電壓

可以通過更改內部DAC的2位輸入（REF1，REF0）來調整輸出電壓，參考數據表了解可用的電壓范圍和所需設置。偏移引腳（OFS）允許對輸出電壓進行小范圍（小于100mV）的正負偏移。如果需要超出內部DAC正常范圍的輸出電壓設置，需要使用從負載輸出端子連接到VSEN引腳的單獨電阻分壓器，并根據相關公式計算電阻值。

（二）不同輸入電壓的降壓轉換

ISL6310EVAL1Z由實驗室電源供電，標記為“+12V”的輸入可以根據需要調低。在嘗試較低電壓時，需要注意以下幾點：

1. 控制器的占空比限制為66%，如果輸入電壓降低到足以導致占空比飽和的水平，電路將無法正常調節輸出電壓。
2. 輸入電壓降低時，輸入RMS電流可能會增加，兩相在占空比約為25%時、單相在占空比約為50%時會達到最大值。
3. 由于評估板出廠時未針對高占空比操作進行優化，需要密切監測板溫度，并僅根據板的熱性能增加輸出電流。

ISL6310EVAL1Z評估板為電子工程師提供了一個強大而靈活的工具，可用于測試和開發各種電源系統應用。通過對其特性、功能和性能的了解，工程師們可以更好地利用該評估板來滿足不同的設計需求。你在使用類似評估板時是否也遇到過一些獨特的問題呢？