探索ISL95870、ISL95870A、ISL95870B：高性能PWM DC/DC控制器的卓越之旅

在電子設(shè)備的電源管理領(lǐng)域，高效、穩(wěn)定的DC/DC控制器一直是工程師們追求的目標(biāo)。今天，我們將深入探討RENESAS的ISL95870、ISL95870A和ISL95870B這三款PWM DC/DC控制器，它們憑借獨(dú)特的技術(shù)和出色的性能，為便攜式GPU核心電壓調(diào)節(jié)提供了理想的解決方案。

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產(chǎn)品概述

ISL95870、ISL95870A、ISL95870B是單相同步降壓PWM調(diào)節(jié)器，采用了Intersil專有的 (R^{4}) Technology?。其輸入電壓范圍為3.3V至25V，適用于電池或交流適配器供電的系統(tǒng)。ISL95870A和ISL95870B是低成本解決方案，可動(dòng)態(tài)選擇壓擺率控制的輸出電壓，軟啟動(dòng)和動(dòng)態(tài)設(shè)定點(diǎn)壓擺率通過電容編程。電壓識別邏輯輸入可選擇四個(gè)電阻編程的設(shè)定點(diǎn)參考電壓，直接設(shè)置轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，范圍在0.5V至1.5V之間，通過反饋分壓器可高達(dá)5V。

核心特性剖析

寬輸入輸出范圍

• 輸入電壓：3.3V至25V的寬輸入電壓范圍，使其能夠適應(yīng)各種電源環(huán)境，無論是電池供電還是交流適配器供電，都能穩(wěn)定工作。
• 輸出電壓：輸出電壓范圍為0.5V至5V，滿足了不同負(fù)載對電壓的需求，具有很強(qiáng)的通用性。

精準(zhǔn)調(diào)節(jié)

• 頻率控制：專有的 (R^{4_{TM}}) 頻率控制環(huán)路，確保了在 -10°C至 +100°C的溫度范圍內(nèi)，系統(tǒng)精度達(dá)到 ±0.5%，為系統(tǒng)提供了穩(wěn)定的電壓輸出。
• 瞬態(tài)響應(yīng)：Intersil的 (R^{4_{TM}}) 調(diào)制器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了最佳的瞬態(tài)響應(yīng)，能夠快速響應(yīng)負(fù)載變化，保持輸出電壓的穩(wěn)定。

靈活的輸出電壓編程

• ISL95870：具有固定的0.5V參考電壓，通過電阻分壓器可將輸出電壓在0.5V至5V之間進(jìn)行調(diào)節(jié)。
• ISL95870A：通過2位VID選擇四個(gè)不同的參考電壓，從而實(shí)現(xiàn)四個(gè)不同的輸出電壓。用戶可以根據(jù)需求靈活設(shè)置，最大參考電壓不超過1.5V。
• ISL95870B：同樣通過2位VID選擇四個(gè)不同的參考電壓，輸出電壓范圍與ISL95870A類似，但編程方式略有不同。

其他特性

• 可選開關(guān)頻率：可選擇300kHz、500kHz、600kHz或1MHz的PWM頻率，以滿足不同應(yīng)用對開關(guān)頻率的要求。
• 自動(dòng)二極管仿真模式：在輕載條件下，如系統(tǒng)待機(jī)時(shí)，轉(zhuǎn)換器自動(dòng)進(jìn)入二極管仿真模式（DEM），提高了效率。
• 電源良好監(jiān)測：具備電源良好監(jiān)測功能，可用于軟啟動(dòng)和故障檢測，方便工程師對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和管理。

工作原理深度解析

上電復(fù)位

IC在VCC引腳電壓上升到上電復(fù)位（POR）閾值電壓 (VCC_THR) 以上時(shí)才會(huì)啟用，當(dāng)VCC引腳電壓下降到下降POR閾值電壓 (VVCC_THF) 以下時(shí)，控制器將被禁用。POR檢測器具有約1μs的噪聲濾波器，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

啟動(dòng)時(shí)序

當(dāng)VCC電壓上升到 (VCCTHR) 以上后，通過將EN引腳電壓拉到輸入高閾值 (V{ENTHR}) 以上，可啟用控制器。約20μs后，SREF引腳電壓開始上升到指定的VID設(shè)定點(diǎn)，轉(zhuǎn)換器輸出電壓跟隨SREF引腳電壓變化。在軟啟動(dòng)過程中，調(diào)節(jié)器始終工作在CCM模式，直到軟啟動(dòng)序列完成。

輸出電壓編程

• ISL95870：通過電阻分壓器ROFS和RFB來調(diào)節(jié)輸出電壓，輸出電壓與參考電壓的關(guān)系為 (V{OUT}=V{SREF} cdot frac{R{FB}+R{OFS}}{R_{OFS}})。
• ISL95870A和ISL95870B：通過VID引腳選擇不同的參考電壓，再結(jié)合外部電阻分壓器，可實(shí)現(xiàn)輸出電壓的靈活編程。

(R^{4}) 調(diào)制器

(R^{4}) 調(diào)制器是 (R^{3}) 技術(shù)的進(jìn)化版，它允許在負(fù)載瞬變時(shí)實(shí)現(xiàn)可變頻率，同時(shí)保持電流模式滯回控制器的優(yōu)點(diǎn)。此外，它還降低了調(diào)節(jié)器的輸出阻抗，使用精確的參考消除了補(bǔ)償環(huán)路中對高增益電壓放大器的需求，簡化了調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)，降低了外部組件成本。

保護(hù)機(jī)制與穩(wěn)定性

保護(hù)機(jī)制

• 過流保護(hù)（OCP）：通過電阻ROCSET編程過流保護(hù)設(shè)定點(diǎn)，當(dāng)OCSET引腳電壓高于VO引腳電壓超過10μs時(shí)，觸發(fā)OCP故障，鎖定轉(zhuǎn)換器。
• 過壓保護(hù)（OVP）：當(dāng)FB引腳電壓高于過壓閾值 (V_{OVRTH}) 超過2μs時(shí)，觸發(fā)OVP故障，鎖定轉(zhuǎn)換器。同時(shí)，LGATE門驅(qū)動(dòng)器可根據(jù)輸出電壓的變化，對低側(cè)MOSFET進(jìn)行開關(guān)控制，保護(hù)負(fù)載。
• 欠壓保護(hù)（UVP）：當(dāng)FB引腳電壓低于欠壓閾值 (V_{UVTH}) 超過2μs時(shí)，觸發(fā)UVP故障，鎖定轉(zhuǎn)換器。
• 過溫保護(hù)（OTP）：當(dāng)IC溫度超過上升閾值溫度 (T{OTRTH}) 時(shí)，進(jìn)入OTP狀態(tài)，暫停PWM，直到溫度下降到滯后溫度 (T{OTHYS}) 以下，恢復(fù)正常PWM操作。

穩(wěn)定性

(R^{4}) 調(diào)制器不需要高增益電壓環(huán)路，因此可以去除積分器，減少了環(huán)路中的固有極點(diǎn)數(shù)量。電流模式零繼續(xù)抵消其中一個(gè)極點(diǎn)，確保在寬范圍的輸出濾波器選擇下實(shí)現(xiàn)單極點(diǎn)交叉，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的系統(tǒng)，無需補(bǔ)償組件或復(fù)雜的方程來調(diào)整穩(wěn)定性。

應(yīng)用設(shè)計(jì)指南

選擇LC輸出濾波器

• 電感選擇：根據(jù)輸入輸出電壓計(jì)算占空比 (D=frac{V{O}}{V{IN}})，再根據(jù)輸出電感峰值 - 峰值紋波電流 (I{P-P}=frac{V{O} cdot(1-D)}{F_{S W} cdot L}) 選擇合適的電感值。同時(shí)，要考慮電感的DCR和飽和特性，以減少銅損和避免OCP故障。
• 電容選擇：輸出電容 (C{O}) 用于容納紋波電流 (I{P-P})，紋波電壓 (V_{PP}) 由電容ESR和電容充放電引起的電壓變化組成。對于高脈動(dòng)電流負(fù)載，需要并聯(lián)多個(gè)電容以降低總ESR。

選擇輸入電容

輸入電容的重要參數(shù)是電壓額定值和RMS電流額定值。為確保可靠運(yùn)行，應(yīng)選擇電壓和電流額定值高于最大輸入電壓的電容，其電壓額定值至少為最大輸入電壓的1.25倍，優(yōu)選1.5倍。

選擇自舉電容

自舉電容的電壓額定值應(yīng)至少為10V，其容量可根據(jù)公式 (C{BOOT } geq frac{Q{GATE }}{Delta V{BOOT }}) 計(jì)算，其中 (Q{GATE}) 是上MOSFET柵極的總電荷，(Delta V_{BOOT }) 是自舉電容的最大電壓衰減。

MOSFET選擇

• 高側(cè)MOSFET：應(yīng)選擇低柵極電荷的MOSFET，以減少在線性區(qū)域的功耗。
• 低側(cè)MOSFET：應(yīng)選擇低 (r_{DS(ON)}) 的MOSFET，以最小化導(dǎo)通損耗。

布局考慮

• 電源層：電源層應(yīng)靠近，可位于電路板的頂部或底部，弱模擬或邏輯信號層位于電路板的另一側(cè)。接地平面層應(yīng)與信號層相鄰，提供屏蔽。
• 組件放置：功率組件應(yīng)優(yōu)先放置，包括MOSFET、輸入和輸出電容以及電感。保持功率電路與控制IC之間的距離短，有助于縮短柵極驅(qū)動(dòng)走線。
• 信號走線：高dv/dt和高di/dt的信號走線，如LGATE、UGATE、PGND、PHASE和BOOT，應(yīng)短而寬，并遠(yuǎn)離高輸入阻抗的走線。

總結(jié)

ISL95870、ISL95870A和ISL95870B這三款PWM DC/DC控制器憑借其寬輸入輸出范圍、精準(zhǔn)調(diào)節(jié)、靈活的輸出電壓編程、高效的保護(hù)機(jī)制和良好的穩(wěn)定性，為便攜式GPU核心電壓調(diào)節(jié)提供了可靠的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師們可以根據(jù)具體需求選擇合適的型號，并按照應(yīng)用設(shè)計(jì)指南進(jìn)行設(shè)計(jì)，以確保系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。你在使用這些控制器的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。