探索ISL8225MEVAL2Z評估板：高效電源解決方案

在電子設計領域，一款性能卓越的電源模塊對于各類應用的穩定運行至關重要。今天，我們將深入探討瑞薩（Renesas）的ISL8225MEVAL2Z評估板，它為我們提供了一個可靠且高效的電源解決方案。

文件下載：ISL8225MEVAL2Z.pdf

一、ISL8225M模塊概述

ISL8225M是一款完整的雙降壓開關模式DC/DC模塊。它的雙輸出可輕松并聯，用于單輸出、大電流應用。這種高功率、均流的DC/DC電源模塊非常適合為數據通信、電信和FPGA等對電源需求較高的應用供電。只需ISL8225M、幾個無源元件和(V_{OUT})設置電阻，就能實現一個完整的雙15A設計。其使用的便利性幾乎消除了設計和制造風險，同時顯著縮短了產品上市時間。如果需要更大的輸出電流，最多可并聯六個ISL8225M模塊，實現高達180A的解決方案。此外，ISL8225M采用熱增強型緊湊型QFN封裝，在滿載和高溫條件下運行時無需強制風冷。所有引腳易于訪問，外部元件較少，將PCB設計簡化為一個元件層和一個簡單的接地層。

二、評估板關鍵特性

2.1 高功率輸出能力

ISL8225MEVAL2Z評估板允許實現單6相并聯輸出，可提供高達90A的大電流。在并行操作中，三個模塊可實現高達300W的輸出功率和90A的負載能力。

2.2 寬輸入輸出范圍

輸入電壓范圍為4.5V至20V，輸出電壓范圍為0.6V至5.5V，能夠滿足多種不同應用的電源需求。

2.3 高精度與高效率

輸出電壓精度可達1.5%，轉換效率最高可達95%，有效降低了能量損耗。

2.4 低紋波特性

由于采用多相交錯技術，降低了輸出紋波和輸入紋波，提高了電源的穩定性。

三、功能描述

3.1 推薦設備

為了對評估板進行測試和使用，需要準備以下設備：

• 0V至20V電源，至少具備10A的源電流能力。
• 能夠吸收高達90A電流的電子負載（可并聯多個電子負載以吸收更大電流）。
• 數字萬用表（DMMs）。
• 100MHz四通道示波器。

3.2 快速啟動

評估板的輸入為J3（VIN）和J4（GND），輸出為J1和J5（VOUT）、J2和J6（GND）以及J6（VOUT2）。該90A評估板可輕松修改為30A（一個模塊）或60A（兩個模塊）操作。具體啟動步驟如下：

1. 將能夠提供至少10A電流的電源連接到ISL8225MEVAL2Z的輸入（VIN J3和GND J4），電壓設置在4.5V至20V之間。將電子負載或待供電設備連接到評估板的輸出（VOUT (J1, J5)和GND (J2, J6)）。所有連接，特別是低電壓、大電流的VOUT線路，應能夠承載所需的負載電流，并盡量縮短連接長度。在VOUT (J1, J5)和GND (J2, J6)上使用重復的接線片連接以承載大電流。
2. 確保EN2和EN3的跳線處于“ON”位置，EN處于開路狀態。打開電源。如果評估板正常工作，綠色LED亮起；否則，紅色LED亮起（此時需重新檢查電線/跳線連接）。測量輸出電壓VOUT，應為1.2V。
3. ISL8225MEVAL2Z的默認輸出電壓為1.2V。如果需要不同的輸出電壓，可以更換板上的電阻來實現。不同輸出電壓對應的R2/R64電阻值可參考文檔中的表1。對于12V VIN且VOUT大于1.5V的情況，需要調整開關頻率，可通過調整電阻RFSET來實現。對于VOUT低于1.5V的情況，無需進行頻率調整。對于5V VIN，任何允許的VOUT都可使用模塊的默認頻率。如果輸出電壓設置為大于1.8V，需要對輸出電流進行降額以確保安全運行，具體降額曲線可參考ISL8225M數據手冊。

3.3 板級設置

該評估板可根據不同的電流需求進行靈活設置：

• 30A應用（1模塊）：EN開路，EN2關閉，EN3關閉。在此模式下，只有模塊1運行，模塊2和3禁用。
• 60A應用（2模塊）：有兩種設置方式，一種是EN開路，EN2開啟，EN3關閉；另一種是EN開路，EN2關閉，EN3開啟。在此模式下，只有模塊1和2（或3）運行，模塊3（或2）禁用。
• 90A應用（3模塊）：EN開路，EN2開啟，EN3開啟。在此模式下，所有模塊都運行。
• 禁用所有模塊并使用EN引腳啟動模塊：EN連接。在此模式下，所有模塊禁用，可使用EN控制所有模塊啟動。

3.4 評估板信息

評估板尺寸為150mm x 130mm，是一個6層板，頂層和底層采用2 oz.銅，所有內層采用1 oz.銅。該板可作為90A參考設計。板采用FR4材料，所有組件（包括焊接附件）均為無鉛產品。

3.4.1 均流檢查

評估板允許測量均流精度。在每個輸出上串聯四個0Ω電阻（如M1通道2的R59~R62），評估板兩側各有兩個。要測量每個相的輸出電流，需移除所有四個電阻，并在正確位置放置環形導線或傳感電阻。雖然組裝的電阻阻值為零，但每個電阻仍有小電阻（< 50mΩ）。在大輸出電流下，由于這些0Ω電阻的功率損耗，效率可能會降低1~3%。文檔中給出了帶有0Ω電阻的效率曲線（圖16和17），以及用短銅帶替換這些電阻后的效率曲線（圖18和19）。

3.4.2 熱考慮和電流降額

對于大電流應用，電路板布局對于模塊的安全運行和最大允許功率輸出至關重要。為了承載大電流，需要精心設計電路板布局以最大化熱性能。這包括選擇足夠的走線寬度、銅重量和合適的連接器。該評估板設計為在室溫下無需額外冷卻系統即可在1.2V下運行90A。然而，如果輸出電壓升高或電路板在高溫下運行，可用電流會降額。可參考ISL8225M數據手冊中的降額電流曲線來確定可用的輸出電流。在使用ISL8225M進行設計時，可通過以下設計技巧提高熱性能：

• 使用頂層和底層承載大電流。VOUT1、VOUT2、Phase 1、Phase 2、PGND、VIN1和VIN2應具有大而堅實的平面。在模塊下方和周圍放置足夠的熱過孔以連接不同層的電源平面。
• Phase 1和Phase 2焊盤是產生開關噪聲的開關節點。將這些焊盤保持在模塊下方。對于對噪聲敏感的應用，瑞薩建議將相焊盤僅放置在PCB的頂層和內層；不要將相焊盤暴露在PCB的底層。為了提高熱性能，相焊盤可在內層擴展，如該90A評估板的第3層上的Phase 1和2焊盤所示。確保第2層和第4層有GND層覆蓋第3層相焊盤的擴展區域，以避免噪聲耦合。
• 為了避免噪聲耦合，瑞薩建議在多模塊操作時，在每個模塊的所有COMP和ISHARE引腳上添加1nF電容器。
• 將模塊均勻放置在電路板上，并在模塊之間留出足夠的空間。如果電路板空間有限，嘗試將功率損耗低的模塊（如低(Vout)或(IOUT)）緊密放置在一起，同時仍將功率損耗高的模塊分開。
• 如果環境溫度高或電路板空間有限，需要氣流來消散模塊產生的更多熱量。也可在模塊頂部應用散熱片以進一步提高熱性能（散熱片推薦：Aavid Thermalloy，部件號375424B00034G，www.aavid.com）。

  3.4.3 遠程傳感

  ISL8225MEVAL2Z板允許對負載應用遠程傳感功能，以實現良好的輸出調節精度。要使用此功能，需移除電阻R7和R8，并通過跳線JP4（RS）將開爾文傳感線連接到負載點。

  3.4.4 相移編程

  在均流模式下，需要相移來交錯不同的相，以降低輸入和輸出紋波。文檔中給出了不同的均流模式，從2相（180°相移）、4相（90°相移）到6相（60°相移）。主模塊將CLKOUT信號發送到第二個模塊的SYNC引腳，并與其自身的時鐘信號產生相移。然后第二個模塊與主模塊的CLKOUT信號同步，并將其CLKOUT信號發送到第三個模塊的SYNC引腳。每個模塊的兩個相默認設置為180°相移。該評估板設置為模式5B，相之間的相移為60°。如果MODE引腳未連接到VCC（5A或5B），除主相的VMON引腳外，不同模塊的所有VMON引腳可以連接在一起。如果需要模式7A以實現90°相移，MODE引腳必須連接到VCC。在這種情況下，相關模塊的VMON引腳需要通過連接一個953Ω電阻和一個22nF電容器到SGND來分離，具體可參考ISL8225M數據手冊。

四、PCB布局指南

4.1 電路板原理圖

文檔中給出了ISL8225MEVAL2Z板的詳細原理圖，展示了各個元件的連接和布局。這些原理圖是設計和調試的重要參考。

4.2 電路板布局

評估板的布局包括頂層組件側、底層焊接側等多個層面的視圖。合理的布局有助于提高電路板的性能和可靠性。同時，文檔還提供了電路板的絲印圖，方便元件的安裝和識別。

4.3 物料清單

文檔列出了評估板的詳細物料清單，包括每個元件的型號、參考編號、數量、值、公差、電壓、功率、封裝類型、JEDEC類型、制造商和描述等信息。這對于采購和組裝電路板非常有幫助。需要注意的是，反饋電阻分壓器R1/R2的電阻精度會影響輸出電壓精度，建議使用高精度電阻（0.5%或0.1%）以滿足輸出精度要求。

五、效率曲線

文檔給出了ISL8225MEVAL2Z在不同輸入電壓和輸出電壓下的效率曲線。測試條件為+25°C且無氣流。分別展示了輸出帶有0Ω電阻時的效率曲線（圖16和17），以及用厚銅帶替換0Ω電阻后的效率曲線（圖18和19）。通過這些曲線，我們可以直觀地了解評估板在不同負載電流下的效率表現，為實際應用提供參考。

六、修訂歷史

文檔記錄了評估板的修訂歷史，包括版本號、日期和描述。最新版本（Rev.2.00）于2019年6月25日發布，進行了新的格式應用、替換二維碼為視頻鏈接、更新原理圖以及添加修訂歷史部分等操作。

ISL8225MEVAL2Z評估板為電子工程師提供了一個強大而靈活的電源解決方案。通過深入了解其特性、功能和布局等方面的信息，我們可以更好地利用該評估板進行電源設計，滿足不同應用的需求。你在使用類似評估板的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。