探索 ISL6752/54EVAL1Z：零電壓開關(guān) DC/DC 電源評(píng)估板

在電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域，效率、性能和穩(wěn)定性是永恒的追求。今天，我們將深入探討瑞薩（Renesas）的 ISL6752/54EVAL1Z，這是一款采用同步整流器的零電壓開關(guān)（ZVS）DC/DC 電源評(píng)估板，它在提升效率和優(yōu)化性能方面有著出色的表現(xiàn)。

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評(píng)估板概述

ISL6752/54EVAL1Z 是在 iSL6752EVAL1Z 基礎(chǔ)上的全新設(shè)計(jì)，通過多項(xiàng)設(shè)計(jì)改進(jìn)，將效率從 90% 提升至 95%。其控制電路從主板移至子卡，提供了分別采用 ISL6752 和 ISL6754 的兩種不同子卡，且都采用了英特矽爾（Intersil）的零電壓開關(guān)（ZVS）拓?fù)洹Ｍ瑫r(shí)，該評(píng)估板還采用了 N 溝道 FET 作為次級(jí)側(cè)整流器，即同步整流器（SR），顯著降低了次級(jí)側(cè)整流器的功耗。

規(guī)格參數(shù)

電路結(jié)構(gòu)剖析

子卡設(shè)計(jì)

ISL6752 和 ISL6754 控制 IC 分別位于各自的子卡上。子卡將控制 IC 置于初級(jí)側(cè)，電壓誤差放大器置于次級(jí)側(cè)，并保持了初級(jí)和次級(jí)之間的爬電間距。這種設(shè)計(jì)消除了驅(qū)動(dòng)初級(jí)側(cè)橋接 FET 所需的兩個(gè)交流線路隔離柵極驅(qū)動(dòng)變壓器，簡(jiǎn)化了電流傳感變壓器的設(shè)計(jì)。

兩款子卡的主要功能區(qū)別在于電流限制的實(shí)現(xiàn)方式：ISL6752 采用逐脈沖電流限制，ISL6754 則采用平均電流限制。此外，子卡上設(shè)有特殊測(cè)試點(diǎn)，方便用戶進(jìn)行評(píng)估測(cè)試。

ZVS 全橋電路

低側(cè) FET（(Q{3}) 和 (Q{4})）由 ISL89160 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器 U1 直接驅(qū)動(dòng)，高側(cè) FET（(Q{1}) 和 (Q{2})）則由 ISL89160 驅(qū)動(dòng)器 U2 通過電平轉(zhuǎn)換柵極驅(qū)動(dòng)變壓器 T3 間接驅(qū)動(dòng)。T3 的設(shè)計(jì)僅需 400V 工作絕緣，且始終由方波驅(qū)動(dòng)，避免了非對(duì)稱驅(qū)動(dòng)波形帶來的問題。

高壓保護(hù)電路

為防止橋接故障對(duì)初級(jí)側(cè)控制元件造成災(zāi)難性損壞，評(píng)估板采用了電壓撬棒（F1 和 (D{3})）和電壓阻斷二極管（(D{4})）。(D{3}) 將偏置電壓鉗位到安全水平，F(xiàn)1 在 (D{3}) 導(dǎo)通電流后不久會(huì)斷開，(D_{4}) 則可防止高壓施加到 13V 實(shí)驗(yàn)室電源上。

初級(jí)側(cè)電流傳感

初級(jí)側(cè)橋接采用兩個(gè)電流傳感變壓器（(T{2}) 和 (T{4})），分別位于低側(cè)橋接 FET 的漏極上。這種設(shè)計(jì)允許每個(gè) CT 在交替半周期內(nèi)復(fù)位，有效解決了反向 SR 電流可能導(dǎo)致的電流傳感變壓器電路故障問題。

同步整流器驅(qū)動(dòng)電路

兩組 SR 由 ISL89163 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器 U4 驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)器輸入的 RCD 網(wǎng)絡(luò)可延遲 SR 的導(dǎo)通時(shí)間，避免與初級(jí)側(cè)橋接 FET 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)重疊，從而防止高幅值短路電流的產(chǎn)生。此外，也可選擇使用 ISL89367 來驅(qū)動(dòng) SR。

電流倍增器輸出

電流倍增器輸出由兩組 SR（(Q107...Q109) 和 (Q{111 ... Q{113}})）、電感（(L102) 和 (L103)）和輸出濾波電容（(C{133 ... C{136}})）組成。該拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)是輸出電流由兩個(gè)電感分擔(dān)，降低了傳導(dǎo)損耗，且電源變壓器的次級(jí)繞組無(wú)需中心抽頭。

同步整流器原理

用 MOSFET 替代二極管作為整流器具有顯著優(yōu)勢(shì)，如大幅降低傳導(dǎo)損耗，且從空載到滿載的占空比基本保持不變。然而，也存在一些缺點(diǎn)，如增加了復(fù)雜性和成本，反向恢復(fù)損耗較高，以及在并聯(lián)單元時(shí)需要防止電流環(huán)流等問題。

SR 驅(qū)動(dòng)時(shí)序要求

為了模擬二極管的工作，SR 必須在二極管正常導(dǎo)通時(shí)導(dǎo)通。但與二極管不同的是，SR 導(dǎo)通時(shí)電流可能會(huì)反向。因此，需要對(duì) SR 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行延遲，以防止與初級(jí)側(cè)橋接 FET 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)重疊，避免短路電流的產(chǎn)生。

SR 驅(qū)動(dòng)和偏置

ISL6752/54 產(chǎn)生的控制信號(hào)（OUTLLN 和 OUTLRN）通過脈沖變壓器 T6 傳輸?shù)酱渭?jí)側(cè)，用于驅(qū)動(dòng) SR。T6 不僅能耦合控制信號(hào)，還能為次級(jí)側(cè)的驅(qū)動(dòng)器提供偏置電壓。通過合理設(shè)計(jì)電路，可確保 SR 在合適的時(shí)間導(dǎo)通和關(guān)斷，同時(shí)使 RC 網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的延遲與 VBIAS 的絕對(duì)值無(wú)關(guān)。

電流倍增器設(shè)計(jì)考慮

電流平衡

在設(shè)計(jì)電流倍增器拓?fù)鋾r(shí)，必須確保兩半部分的直流電阻相等，PCB 布局應(yīng)盡可能對(duì)稱，電感的 DCR 應(yīng)合理相等。否則，會(huì)導(dǎo)致兩側(cè)電流分配不均。通過對(duì)電路板進(jìn)行一次修訂，ISL6752/54EVAL1Z 實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)電感之間的電流平衡，即使在空載時(shí)電感電流也能保持相同的波形形狀。

并聯(lián)輸出問題

當(dāng)使用 SR 時(shí)，多個(gè)電源的輸出并聯(lián)可能會(huì)出現(xiàn)問題。由于 SR 中電流可以雙向流動(dòng)，當(dāng)一個(gè)并聯(lián)輸出的電壓較高時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致功率從次級(jí)傳輸?shù)匠跫?jí)，損壞電源。為避免這種情況，可使用 OR 二極管（或 FET）或在 SR 中電流反向時(shí)關(guān)閉 SR（二極管仿真模式），但后者會(huì)犧牲 SR 的部分優(yōu)勢(shì)。

電流傳感問題及解決方案

單 CT 電流傳感問題

當(dāng)使用單個(gè)電流傳感變壓器（CT）進(jìn)行初級(jí)側(cè)電流傳感時(shí)，如果不考慮反向 SR 電流，可能會(huì)導(dǎo)致電流傳感變壓器電路出現(xiàn)意外故障。在輕載或負(fù)載突變時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)整流后的負(fù)電流，導(dǎo)致控制周期提前終止，甚至使電源變壓器飽和，損壞功率橋。

解決方案

1. 雙 CT 方案：在低側(cè) FET 的每個(gè)漏極上放置一個(gè) CT，僅檢測(cè)流入漏極的正電流，解決了整流負(fù)電流的問題，且有完整的半個(gè)周期來復(fù)位 CT 磁芯。
2. 單 CT 檢測(cè)雙漏極電流方案：使用一個(gè) CT 檢測(cè)低側(cè) FET 的兩個(gè)漏極電流，但需要考慮 CT 磁芯復(fù)位的最小時(shí)間，可能會(huì)影響最大占空比。
3. 高側(cè) FET 公共漏極 CT 方案：將 CT 放置在兩個(gè)高側(cè) FET 的公共漏極引線上，可避免柵極驅(qū)動(dòng)問題，但 CT 需要設(shè)計(jì)為 400VDC 工作絕緣。

評(píng)估板設(shè)置與性能測(cè)試

設(shè)置步驟

1. 在主板左下角的 DISABLE 和 PGND - 1 接線片之間焊接一根導(dǎo)線，或連接一個(gè)開關(guān)。
2. 將任一子控制卡安裝到主板上。
3. 連接直流負(fù)載到評(píng)估板的輸出，并將負(fù)載調(diào)整到零電流。
4. 關(guān)閉兩個(gè)電源，將直流偏置電源連接到 +13V 端子和 PGND。
5. 將 400V 電源連接到 +400V 和 400V RTN。
6. 打開直流偏置電源，將電流限制調(diào)整到 200mA，電壓調(diào)整到 +12.6VDC。
7. 打開 400V 電源，將電流限制調(diào)整到 2.5A，電壓調(diào)整到 400VDC，不超過 450VDC。
8. 打開風(fēng)扇，將氣流導(dǎo)向安裝在電路板底部的散熱器。
9. 使用輸出功率接線片旁邊的測(cè)試點(diǎn)，測(cè)量輸出電壓應(yīng)為 12V ±0.5VDC。

性能測(cè)試

通過示波器觀察波形，可對(duì)評(píng)估板的性能進(jìn)行評(píng)估。在 ZVS 測(cè)試中，盡管在 50A 滿載時(shí)未實(shí)現(xiàn)完全的零電壓開關(guān)，但仍可恢復(fù) 98% 的開關(guān)損耗；在 50% 負(fù)載時(shí)，仍可節(jié)省 84% 的開關(guān)損耗。通過觀察負(fù)載瞬變波形、輸出紋波和噪聲波形以及變壓器初級(jí)繞組電流波形等，可全面了解評(píng)估板的性能表現(xiàn)。

總結(jié)

ISL6752/54EVAL1Z 評(píng)估板為電源工程師提供了一個(gè)優(yōu)秀的平臺(tái)，用于研究和實(shí)現(xiàn)同步整流器和零電壓開關(guān)技術(shù)。通過采用 MOSFET 作為同步整流器，該評(píng)估板顯著提高了電源效率和負(fù)載瞬態(tài)性能。同時(shí)，子卡的設(shè)計(jì)允許工程師比較逐周期峰值電流限制和平均電流限制的優(yōu)缺點(diǎn)。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，需要注意電流傳感、PCB 布局和并聯(lián)輸出等問題，以確保電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

你是否在類似的電源設(shè)計(jì)中遇到過挑戰(zhàn)？你認(rèn)為 ISL6752/54EVAL1Z 在哪些應(yīng)用場(chǎng)景中會(huì)表現(xiàn)得尤為出色呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的看法和經(jīng)驗(yàn)。