ISL6744：中間總線PWM控制器的深度解析

在電子設計領域，中間總線PWM控制器是實現高效電源轉換的關鍵組件。今天，我們來深入探討RENESAS推出的ISL6744中間總線PWM控制器，它為無調節DC/DC轉換器提供了出色的解決方案。

文件下載：ISL6744EVAL1.pdf

一、ISL6744概述

ISL6744是一款低成本、初級側、雙端控制器，適用于采用全橋和半橋拓撲的無調節DC/DC轉換器應用。它是一款電壓模式PWM控制器，專為半橋和全橋電源設計。具備精確的開關頻率控制、可調軟啟動、精確的死區時間控制（死區時間低至35ns）以及過流關斷等功能。

其先進的BiCMOS設計具有低啟動和工作電流，開關頻率可調節至1MHz，配備1A FET驅動器，并且傳播延遲非常低，能對過流故障做出快速響應。

二、產品信息

1. 訂購信息

2. 特點

• 精確占空比和死區時間控制：確保電源轉換的穩定性和效率。
• 100μA啟動電流：降低啟動功耗。
• 可調延遲過流關斷和重啟：增強系統的可靠性。
• 可調振蕩器頻率高達2MHz：滿足不同應用的頻率需求。
• 1A MOSFET柵極驅動器：提供足夠的驅動能力。
• 可調軟啟動：減少啟動時的應力和浪涌電流。
• 內部過溫保護：防止器件過熱損壞。
• 35ns控制到輸出傳播延遲：實現快速響應。
• 小尺寸和最少外部組件數量：簡化設計，降低成本。
• 輸入欠壓保護：保護器件免受欠壓影響。
• 無鉛加退火（符合RoHS標準）：環保設計。

3. 應用領域

• 電信和數據通信隔離電源
• DC變壓器
• 總線轉換器

三、電氣規格

1. 絕對最大額定值和熱信息

2. 工作條件

溫度范圍為 -40°C 至 105°C。需要注意的是，超過“絕對最大額定值”的應力可能會對器件造成永久性損壞。

3. 電氣參數

包含電源電壓、電流檢測、脈沖寬度調制器、振蕩器、軟啟動、輸出、熱保護等方面的參數。例如，啟動電流最大為175μA，工作電流在不同條件下有所不同；過流檢測閾值為0.55 - 0.65V等。

四、引腳描述

1. VDD

VDD是IC的電源連接引腳。為了優化抗噪性，應使用陶瓷電容盡可能靠近VDD和GND引腳進行旁路。總電源電流IDD取決于輸出OUTA和OUTB的負載。

2. RTD

該引腳用于控制振蕩器定時電容的放電電流。通過連接一個電阻到GND，流經電阻的電流決定了放電電流的大小，PWM死區時間由定時電容的放電持續時間決定。

3. CT

振蕩器定時電容連接在該引腳和GND之間。

4. CS

這是過流保護比較器的輸入引腳。過流比較器閾值標稱設置為0.600V。在每個開關周期結束時，CS引腳會短路到GND。

5. GND

作為設備所有功能的參考和電源地，由于存在高峰值電流和高頻操作，需要低阻抗布局，建議使用接地平面和短走線。

6. OUTA和OUTB

交替的半周期輸出級，每個輸出能夠提供1A的峰值電流，用于驅動功率MOSFET或MOSFET驅動器，對過沖和下沖具有非常低的阻抗。

7. SS

連接軟啟動定時電容到GND，用于控制軟啟動的持續時間。電容值決定了啟動期間占空比的增加速率，控制過流關斷延遲以及過流和短路打嗝重啟周期。

五、功能描述

1. 振蕩器

ISL6744的振蕩器頻率范圍可達2MHz，可通過電阻RTD和電容CT進行編程。開關周期可視為定時電容充電和放電持續時間之和。實際時間會因內部電荷和放電電流的影響而略長于計算值。

2. 軟啟動操作

通過外部電容和內部電流源實現軟啟動，可減少啟動期間的應力和浪涌電流。在軟啟動期間，占空比從0增加到最大脈沖寬度，當軟啟動電壓超過3.5V時，軟啟動完成。

3. 柵極驅動

ISL6744能夠提供和吸收1A的峰值電流，也可與MOSFET驅動器（如ISL6700）配合使用進行電平轉換。為了限制通過IC的峰值電流，可在IC的圖騰柱輸出（OUTA或OUTB引腳）和MOSFET的柵極之間放置一個外部電阻。

4. 過流操作

軟啟動周期完成后，過流延遲關斷功能啟用。如果檢測到過流情況，軟啟動充電電流源將被禁用，軟啟動電容通過15μA的電流源放電。當軟啟動電容放電到3.9V時，輸出將被禁用，直到軟啟動電壓達到270mV時，新的軟啟動周期將啟動。

5. 熱保護

內部溫度傳感器可在結溫超過145°C時保護設備，具有約15°C的滯后。

6. 接地平面要求

良好的接地平面對于設備的正常運行至關重要，VDD應通過良好的高頻電容直接旁路到GND。

六、典型應用

1. 應用電路

典型應用原理圖展示了ISL6744在無調節半橋DC/DC轉換器配置中的應用，通常稱為DC變壓器或總線轉換器。輸入電壓為48V ±10% DC，輸出在輸入電壓為48V時標稱值為12V，輸出額定電流為8A。

2. 電路元件

包括輸入濾波、半橋電容、隔離變壓器、初級緩沖器、啟動偏置調節器、電源旁路組件、主MOSFET功率開關、電流檢測網絡、控制電路、輸出整流和濾波、次級緩沖器、FET驅動器、自舉組件以及零電壓開關（ZVS）諧振延遲（可選）等功能塊。

3. 設計規格

• 開關頻率：235kHz
• 輸入電壓：48 ± 10% V
• 輸出電壓：12V（標稱）
• 輸出電流：8A（穩態）
• 輸出功率：100W
• 效率：95%
• 紋波：1%

七、變壓器設計

1. 設計過程

• 選擇適合應用的磁芯幾何形狀。
• 確定匝數比。
• 選擇合適的磁芯材料。
• 選擇所需的最大磁通密度。
• 選擇磁芯尺寸。
• 確定初級匝數。
• 選擇每個繞組的線規。
• 確定繞組順序和絕緣要求。
• 驗證設計。

2. 具體設計

對于本應用，選擇了平面結構以實現低輪廓設計，采用了TDK的PC44HPQ20/6 “E - Core” 加PC44PQ20/3 “I - Core” 作為變壓器磁芯。匝數比N = 2，根據法拉第定律確定初級匝數為4，次級匝數為2。同時，還需要考慮銅箔厚度、直流銅損等因素，為了提高效率和熱性能，可選擇更重的銅箔重量。

八、MOSFET選擇

1. 選擇標準

主要基于器件的電流和電壓額定值，同時不能忽視FET的漏源電容和柵極電荷。

2. 具體選擇

• 對于初級側半橋FET，選擇了Fairchild FDS3672 FET，額定電壓為100V，額定電流為7.5A。
• 對于次級側同步整流FET，使用了兩個Fairchild FDS5670器件并聯，額定電壓為60V，額定電流為10A。

九、振蕩器組件選擇

1. 頻率確定

轉換器的期望工作頻率為235kHz，振蕩器頻率是轉換器頻率的兩倍。

2. 關鍵設計目標

確定實現零電壓開關（ZVS）所需的放電時間是選擇定時組件的關鍵設計目標。通過測量、計算等方法確定變壓器的初級漏電感、FET的Coss、變壓器的寄生繞組電容等參數，進而計算出ZVS過渡時間。

在實際設計中，大家是否也遇到過類似的組件選擇和參數計算問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。