探索ISL6558EVAL2：高效DC/DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

在當(dāng)今不斷發(fā)展的計(jì)算機(jī)性能領(lǐng)域，靈活的電源解決方案變得至關(guān)重要。隨著高速總線接口的出現(xiàn)，外圍設(shè)備性能持續(xù)提升，路由器設(shè)計(jì)也日益復(fù)雜，這對(duì)為其供電的DC/DC轉(zhuǎn)換器提出了更高的功率密度要求。今天，我們就來(lái)深入探討Intersil的ISL6558EVAL2低剖面、5V/12V輸入、500kHz且效率達(dá)90%的DC/DC轉(zhuǎn)換器。

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核心芯片介紹

ISL6558控制器

ISL6558控制器與ISL6609單通道驅(qū)動(dòng)IC配合，是滿足高電流、快速負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)和高頻高效性能需求的基礎(chǔ)模塊。它能調(diào)節(jié)輸出電壓，平衡兩到四個(gè)同步整流降壓轉(zhuǎn)換器通道的負(fù)載電流。其內(nèi)部0.8V參考電壓允許輸出電壓低至該水平，且系統(tǒng)精度在溫度變化時(shí)保持1%。電流通道平衡環(huán)路確保各相之間良好的熱平衡，還可選擇輸出電壓下垂或主動(dòng)電壓定位功能。此外，該芯片具備過(guò)壓和過(guò)流監(jiān)測(cè)及保護(hù)功能，為微處理器或其他負(fù)載提供安全的工作環(huán)境。它有16引腳SOIC封裝和5×5mm2的20引腳MLFP封裝，能節(jié)省一定空間。

ISL6609驅(qū)動(dòng)IC

ISL6609是一款5V驅(qū)動(dòng)IC，能為同步整流橋中的兩個(gè)MOSFET提供高達(dá)4A的柵極電流，實(shí)現(xiàn)快速開(kāi)關(guān)。它專(zhuān)為在有限電路板空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高頻高效性能的電壓調(diào)節(jié)器而設(shè)計(jì)。該芯片接受單邏輯輸入來(lái)控制上下MOSFET，其Tri - State?功能與Intersil的多相PWM控制器協(xié)同工作，可防止輸出關(guān)閉時(shí)輸出電壓出現(xiàn)負(fù)瞬變，從而無(wú)需使用肖特基二極管來(lái)保護(hù)微處理器免受反向輸出電壓損壞。同時(shí)，在兩個(gè)開(kāi)關(guān)邊緣都實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)直通保護(hù)，以提供最佳死區(qū)時(shí)間并最小化傳導(dǎo)損耗。它有8引腳SOIC封裝和3×3mm2的8引腳MLFP封裝，節(jié)省空間。

設(shè)計(jì)總結(jié)

規(guī)格參數(shù)

為滿足中程路由器應(yīng)用的電源轉(zhuǎn)換器需求，基于ISL6558和ISL6609設(shè)計(jì)的評(píng)估板具有一系列特定規(guī)格。輸入電壓范圍為4.5V - 5.5V，典型值為5V；輸出調(diào)節(jié)在1.336V - 1.365V之間，典型值為1.35V；瞬態(tài)調(diào)節(jié)在6.5A階躍、200A/μs的條件下，輸出電壓變化在Vo - 20mV到Vo + 20mV之間；連續(xù)負(fù)載在25°C、200LFM（線性英尺每分鐘）的條件下可達(dá)30A；通道開(kāi)關(guān)頻率為500kHz；效率在25°C、200LFM時(shí)可達(dá)89.7%，無(wú)氣流時(shí)為89.3%等。

關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算

對(duì)于兩相交錯(cuò)式DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器的參考設(shè)計(jì)，計(jì)算了一系列關(guān)鍵參數(shù)。例如，占空比D在VIN = 5V、Vo = 1.35V時(shí)為28.3%；開(kāi)關(guān)頻率Fsw在RT = 51.1kΩ（測(cè)量值）時(shí)為500kHz；輸入電感Lin（min）在Cin = 180μF×3、dIin/dt = 0.1A/μs時(shí)為300nH；輸出電容Co(min)在fc = Fsw/5 = 100kHz、f(Istep) = 20mV時(shí)為517μF等。

功率損耗分析

對(duì)參考設(shè)計(jì)進(jìn)行了粗略的功率損耗分析，包括各元件在不同輸入電壓（4.5V、5.0V、5.5V）下的損耗。如在30A負(fù)載下，上FET的導(dǎo)通損耗、開(kāi)關(guān)損耗，下FET的導(dǎo)通損耗、體二極管導(dǎo)通損耗，輸出電感的銅損和鐵損，以及驅(qū)動(dòng)、輸入電感、輸入電容、輸出電容、控制器、PCB銅損等。總功率損耗在4.655W - 4.737W之間。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

性能評(píng)估設(shè)備

使用了多種設(shè)備對(duì)ISL6558EVAL2評(píng)估板進(jìn)行性能評(píng)估，包括ISL6558EVAL2 Rev. A的1號(hào)和2號(hào)板、Hewlett Packard 6653A電源、LeCroy LT364L示波器、Fluke 8050A萬(wàn)用表、Chroma 63103負(fù)載、LeCroy AP015電流探頭放大器和POPST - MOOREN TYP 4600X風(fēng)扇等。

評(píng)估板性能

評(píng)估板能夠提供30A的連續(xù)負(fù)載電流，并能處理200A/μs或更高速度的負(fù)載瞬變，滿足設(shè)計(jì)規(guī)格要求。

操作與修改提示

電源順序

應(yīng)先施加輸入電壓（VIN），再施加控制電壓VCC5（5V），這樣可確保ISL6609驅(qū)動(dòng)在ISL6558啟動(dòng)前初始化，并保留軟啟動(dòng)間隔。否則，ISL6558可能產(chǎn)生最大占空比的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，導(dǎo)致因缺乏軟啟動(dòng)而出現(xiàn)過(guò)流或過(guò)壓跳閘。

負(fù)載瞬態(tài)發(fā)生器

SW1用于啟用或移除負(fù)載瞬態(tài)發(fā)生器。

下垂選項(xiàng)

在參考設(shè)計(jì)中，由于所需負(fù)載瞬態(tài)階躍不超過(guò)滿載的50%，未選擇下垂選項(xiàng)。當(dāng)下垂選項(xiàng)僅在負(fù)載瞬態(tài)階躍大于滿載的50%時(shí)，有助于減少輸出電容數(shù)量并保持相同的瞬態(tài)性能。

多相操作

對(duì)于三相操作，需添加電流感測(cè)電阻R17并將JP4置于ON位置（遠(yuǎn)離TP8），同時(shí)補(bǔ)償增益（R11）應(yīng)按2/3縮放以確保系統(tǒng)穩(wěn)定性和合理的相位裕度；對(duì)于四相操作，需添加電流感測(cè)電阻R2和R17，并將JP4和JP2置于ON位置（遠(yuǎn)離TP8和TP5），補(bǔ)償增益（R11）應(yīng)按1/2縮放。

負(fù)載瞬態(tài)速度編程

使用R25、R26、R28和R29來(lái)編程負(fù)載瞬態(tài)速度，電阻值越高，瞬態(tài)越慢。

MOSFET選擇

如果有足夠的氣流，每個(gè)通道可使用單個(gè)LPAK Hitachi HAT1264作為上FET，兩個(gè)SO - 8 Siliconix Si4842DY作為下FET，但效率會(huì)降低1%，同時(shí)需要調(diào)整電流感測(cè)電阻（R2和R17）以獲得合適的過(guò)流設(shè)定點(diǎn)。

12V輸入操作

對(duì)于12V輸入操作，應(yīng)移除跳線JP1以防止控制器和驅(qū)動(dòng)器過(guò)壓損壞，需要5V電源為控制器和驅(qū)動(dòng)器供電，二極管D1用于保護(hù)驅(qū)動(dòng)器和控制器免受反向偏置損壞。應(yīng)先施加12V電源，再施加5V電源，否則輸出電壓將缺乏軟啟動(dòng)，導(dǎo)致輸出過(guò)流或過(guò)壓。此外，輸入電容應(yīng)更換為更高額定電壓（16V或以上）的電容，補(bǔ)償增益（R11）應(yīng)按5/12縮放。

輸出濾波器和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

任何輸出濾波器的更改都需要相應(yīng)調(diào)整補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)以獲得最佳瞬態(tài)響應(yīng)。如果輸出使用極低ESR電容，則需要III型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)來(lái)提升相位以獲得更好的瞬態(tài)性能。

反饋電阻

反饋電阻（R19）可能會(huì)導(dǎo)致軟啟動(dòng)間隔延遲，不應(yīng)使用高阻抗電阻。

效率分析

效率數(shù)據(jù)是在室溫下，使用PAPST - MOTOREN TYP 4600X風(fēng)扇在評(píng)估板輸入端8英寸處開(kāi)啟（約200LFM）的條件下獲取的。結(jié)果表明，在高輸入電壓和中低負(fù)載條件下，轉(zhuǎn)換器效率較低，因?yàn)榇藭r(shí)開(kāi)關(guān)損耗是總損耗的主要部分。隨著負(fù)載增加，主導(dǎo)的傳導(dǎo)損耗有助于縮小效率差異。不同頻率和氣流條件下的效率也有所不同，在Vin = 5V、Fsw = 500kHz、200LFM氣流條件下，對(duì)不同上下MOSFET組合進(jìn)行了評(píng)估，其中一個(gè)Hitachi HAT2164上FET和兩個(gè)Siliconix Si4842DY下FET的組合提供了高效率和良好的熱性能，同時(shí)節(jié)省了空間和成本。

輸出軟啟動(dòng)和關(guān)斷

當(dāng)控制電壓VCC5達(dá)到ISL6558的POR上升閾值（標(biāo)稱4.38V）時(shí)，F(xiàn)S/EN引腳從接地釋放，輸出開(kāi)始以2048個(gè)數(shù)字步驟單調(diào)上升。軟啟動(dòng)間隔結(jié)束時(shí)，PGOOD信號(hào)轉(zhuǎn)變以指示輸出電壓在規(guī)格范圍內(nèi)。當(dāng)控制電壓（VCC5）低于ISL6558的POR下降閾值（標(biāo)稱3.88V）時(shí)，轉(zhuǎn)換器禁用，PGOOD信號(hào)變低，指示輸出電壓超出調(diào)節(jié)范圍。ISL6609進(jìn)入Tri - State?狀態(tài)，使上下驅(qū)動(dòng)信號(hào)保持低電平，由于下FET關(guān)閉，L - C諧振回路被切斷，不會(huì)在輸出端產(chǎn)生負(fù)振鈴。

瞬態(tài)響應(yīng)

評(píng)估板上配備了瞬態(tài)負(fù)載發(fā)生器，用于評(píng)估轉(zhuǎn)換器在高速負(fù)載瞬態(tài)下的響應(yīng)。發(fā)生器的電流設(shè)置可提供約6.5A的負(fù)載階躍，上升沿為160A/μs，下降沿為210A/μs，且無(wú)輸出下垂配置。在負(fù)載瞬態(tài)期間，輸入電流的上升/下降速度受輸入電感和電容限制，由于轉(zhuǎn)換器看到的有效輸入電感較大，輸入電流的上升速度非常低（0.02A/μs）。不同輸入電壓和負(fù)載電流條件下的瞬態(tài)性能差異不大，具體數(shù)據(jù)可參考實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的表格。

過(guò)流和短路保護(hù)

當(dāng)轉(zhuǎn)換器瞬間短路或過(guò)載時(shí)，會(huì)進(jìn)入打嗝模式，占空比變窄，開(kāi)關(guān)周期變長(zhǎng)。在過(guò)流期間，PGOOD信號(hào)保持低電平，短路移除且輸出完成軟啟動(dòng)間隔后，指示輸出電壓在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。轉(zhuǎn)換器能夠承受永久性短路，保持打嗝模式，頻率為185Hz，此時(shí)各功率組件的平均負(fù)載電流和平均功率損耗顯著降低，從而避免永久性損壞或熱問(wèn)題。

過(guò)壓關(guān)斷

當(dāng)COMP引腳瞬間連接到相對(duì)于地的4V電壓源時(shí)，誤差電壓跳變，占空比增加，輸出電壓立即上升，直到達(dá)到過(guò)壓閾值，觸發(fā)OV鎖存并使PWM輸出變低，PGOOD信號(hào)變低，指示輸出超出調(diào)節(jié)范圍。

總結(jié)

Intersil的ISL6558四相控制器與ISL6609驅(qū)動(dòng)器在40W、500kHz交錯(cuò)式DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器的低剖面參考設(shè)計(jì)中展現(xiàn)出卓越性能，在1.35V輸出、30A滿載條件下實(shí)現(xiàn)了90%的超高效率。豐富的實(shí)驗(yàn)結(jié)果讓我們對(duì)轉(zhuǎn)換器、ISL6558四相PWM控制器和ISL6609同步整流驅(qū)動(dòng)器的工作原理有了更深入的理解。各位電子工程師在實(shí)際設(shè)計(jì)中，不妨根據(jù)具體需求參考這些設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，相信能為你的項(xiàng)目帶來(lái)更多的靈感和思路。你在DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中遇到過(guò)哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。