基于ISL8118的PWM控制器評估板設計與性能分析

引言

在電子設計領域，開關電源的設計至關重要。ISL8118作為一款單相同步降壓轉換器的PWM控制器，具有集成MOSFET驅動器，能在3.3V至20V偏置電源電壓下工作。其采用電壓模式操作和輸入電壓前饋補償，可在寬輸入電壓范圍內保持恒定的環路增益，提供出色的瞬態響應。今天，我們就來深入探討基于ISL8118的評估板設計及性能。

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ISL8118參考設計

設計步驟與元件選擇

輸出電感選擇

輸出電感的選擇取決于所需的電感紋波電流，通常設置為額定輸出電流的35%左右。通過公式 (L =frac{V{IN}-V{OUT }}{Delta I} × frac{V{OUT }}{V{IN }} × frac{1}{F_{SW}}) 計算，在評估板中，選用了0.68μH、DCR為1.6m?的電感（Vishay的IHLP5050FD - R68），電感中的傳導損耗約為1W。

輸出電容選擇

輸出電容一般根據輸出電壓紋波和負載瞬態響應要求來選擇。ESR和電容電荷是影響輸出電壓紋波的主要因素。為滿足30mV的輸出電壓紋波要求，有效ESR應小于3.5m?。在瞬態負載下，輸出電壓響應受ESL、ESR和輸出電容的影響。當 (V{IN } gg V{OUT }) 時，電壓波動幅度可通過公式 (Delta V=frac{L cdot I{tran }^{2}}{C{OUT } cdot V_{OUT }}) 近似計算。評估板中采用了五個Sanyo的6TPF330M9L電容。

輸入電容選擇

輸入大容量電容的選擇標準基于電容值和RMS電流能力。輸入電容的RMS電流額定要求可通過公式近似計算。在本應用中，輸入電容的RMS電流為8.98A，因此使用了兩個Nippon Chemi - con的EKZE350ELL561MJ25S電容。同時，還需要小陶瓷電容進行高頻去耦，以控制MOSFET兩端的電壓過沖。

MOSFET選擇

ISL8118需要兩個N溝道功率MOSFET作為主開關和同步開關。應根據 (r{DS(ON)})、柵極電源要求和熱管理要求進行選擇。MOSFET的總功率損耗包括傳導損耗和開關損耗。在小占空比設計中，為優化轉換器效率，應選擇柵極電荷低的高端MOSFET以實現快速開關過渡，選擇 (r{DS(ON)}) 低的低端MOSFET。評估板中高端MOSFET選用了兩個Infineon的BSC059N04LS，低端MOSFET選用了兩個Infineon的BSC018N04LS。

過流保護設置

ISL8118通過監測高端和低端MOSFET來檢測過流事件。雙傳感功能使其能在寬輸入范圍內的極低和極高占空比下檢測過流故障。

低端過流保護（BOTTOM SIDE OCP）

通過在BSOC引腳和低端MOSFET源極之間連接電阻 (R{BSOC}) 和電容 (C{BSOC}) 來設置低端源極和吸收電流限制。電容 (C{BSOC}) 應使用1000pF或更大的值與 (R{BSOC}) 并聯。通過公式 (R{BSOC}=frac{left(I{OC_SOURCE }+frac{Delta I}{2}right) cdot r{DS(ON)}|{BFET }}{I{BSOC } cdot N{B}}) 確定 (R{BSOC}) 的值，以避免在正常工作負載范圍內過流跳閘。在評估板中，使用兩個Infineon的BSC018N04LS作為低端MOSFET，(R{BSOC}) 為511?，低端過流跳閘點約設置為35A。

高端過流保護（TOP SIDE OCP）

通過在TSOC引腳和高端MOSFET漏極之間連接電阻 (R{TSOC}) 和電容 (C{TSOC}) 來設置高端源極電流限制。電容 (C{TSOC}) 應使用1000pF或更大的值與 (R{TSOC}) 并聯。通過公式 (R{TSOC}=frac{left(I{OC_SOURCE }+frac{Delta I}{2}right) cdot r{DS(ON)}|{TFET }}{I{TSOC } cdot N{T}}) 確定 (R{TSOC}) 的值。在評估板中，使用兩個Infineon的BSC059N04LS作為高端MOSFET，(R{TSOC}) 為1.59k?，高端過流跳閘點約設置為35A。

電壓裕度調整

當MARGIN引腳拉高或拉低時，分別啟用正或負裕度功能。當MARGIN引腳浮空時，該功能禁用。通過內部緩沖器和電阻分壓器來實現電壓裕度調整，電壓差通過儀表放大器檢測并按5:1的比例轉換為所需的裕度電壓。

輸入欠壓鎖定（UVLO）設置

通過使能引腳監測輸入電壓，利用內部10?A吸收電流和外部電阻分壓器實現可編程使能的遲滯。若要使ISL8118在輸入電壓為4.2V且具有0.5V遲滯時啟用，可通過公式 (R{up}=frac{V{EN_HYS}}{I_{EN_HYS}}=49.9 k Omega) 計算電阻分壓器網絡。

反饋補償器設計

推薦使用Type - III網絡來補償反饋環路。根據所選的電感和輸出電容，可總結出功率級的極點和零點。通過一系列公式計算相關元件的值，如 (R{OS})、(R{2})、(C{1})、(C{2}) 和 (R_{3}) 等。更詳細的設計說明可參考TB417 “Designing Stable Compensation Networks for Single Phase Voltage Mode Buck Regulators”。

評估板性能

啟動特性

當ISL8118的 (V{CC})、(V{FF}) 和EN引腳電壓超過其上升POR閾值時，一個38A的電流源驅動SS引腳。在軟啟動過程中，若輸出預偏置到低于預期值的電壓，ISL8118會檢測到該情況，直到COMP信號超過振蕩器斜坡底部才激活驅動器，從而減少輸出瞬態。

輸出紋波

評估板的輸出紋波電壓如圖所示，可直觀看到其紋波特性。

瞬態性能

當負載在0A至25A之間以1A/μs的速率變化時，輸出電壓的響應如圖所示，展示了評估板在瞬態負載下的性能。

效率

基于ISL8118的調節器可實現高效系統設計。評估板在12V輸入電源下的效率如圖所示，可清晰看到不同輸出電流下的效率情況。

總結

通過對ISL8118評估板的設計和性能分析，我們可以看到該控制器在開關電源設計中的優勢。合理的元件選擇和參數設置能確保評估板在寬輸入電壓范圍內穩定工作，具有良好的瞬態響應和效率。各位工程師在實際設計中，可根據具體需求對元件和參數進行調整，以實現最佳性能。大家在設計過程中遇到過哪些類似的挑戰呢？歡迎在評論區分享。