解析ISL6310EVAL1Z兩相位降壓轉(zhuǎn)換器評(píng)估板

在現(xiàn)代眾多電源系統(tǒng)應(yīng)用中，如DDR/芯片組核心電壓調(diào)節(jié)器、大電流低壓DC/DC轉(zhuǎn)換器等，都對(duì)電源管理IC提出了更高的要求。ISL6310EVAL1Z就是這樣一款滿足高要求的評(píng)估板，下面將對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)解析。

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一、ISL6310芯片特性

（一）設(shè)計(jì)創(chuàng)新

ISL6310是一款節(jié)省空間、成本效益高的解決方案。它是集成了大電流MOSFET驅(qū)動(dòng)器的兩相PWM控制IC，將5V - 12V大電流MOSFET驅(qū)動(dòng)器集成到控制器IC中，與以往多相產(chǎn)品系列的獨(dú)立PWM控制器和驅(qū)動(dòng)器配置不同，減少了外部元件數(shù)量，實(shí)現(xiàn)了成本和空間的節(jié)省。

（二）輸出電壓編程

輸出電壓可以通過(guò)片上DAC或外部精密參考進(jìn)行編程。DAC參考可通過(guò)兩位代碼編程為4種可能值（0.6V、0.9V、1.2V和1.5V）之一。同時(shí)，提供單位增益差分放大器用于遠(yuǎn)程電壓感應(yīng)，補(bǔ)償遠(yuǎn)程和本地接地之間的任何電位差，還可通過(guò)單個(gè)外部電阻對(duì)輸出電壓進(jìn)行偏移。此外，還實(shí)現(xiàn)了可選的下垂功能，對(duì)于輸出電壓變化要求不太嚴(yán)格或階躍負(fù)載不太嚴(yán)重的應(yīng)用，可禁用該功能。

（三）獨(dú)特的電流傳感方式

ISL6310獨(dú)特地結(jié)合了DCR和rDS(ON)電流傳感。通過(guò)連續(xù)的電感DCR電流傳感實(shí)現(xiàn)負(fù)載線電壓定位和過(guò)流保護(hù)，而rDS(ON)電流傳感用于精確的通道電流平衡，充分利用了兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

（四）保護(hù)功能

該控制器IC具有一套復(fù)雜的過(guò)壓和過(guò)流保護(hù)功能。過(guò)壓時(shí)，轉(zhuǎn)換器會(huì)導(dǎo)通下MOSFET以鉗位上升的輸出電壓，保護(hù)負(fù)載，還提供OVP輸出以驅(qū)動(dòng)可選的撬棒裝置。過(guò)流保護(hù)水平通過(guò)單個(gè)外部電阻設(shè)置，此外還具備針對(duì)遠(yuǎn)程傳感輸入開(kāi)路的保護(hù)功能，為輸出負(fù)載提供了高級(jí)保護(hù)。

二、ISL6310EVAL1Z評(píng)估板設(shè)計(jì)

（一）評(píng)估套件組成

評(píng)估套件包括ISL6310EVAL1Z評(píng)估板、ISL6310數(shù)據(jù)手冊(cè)和本應(yīng)用筆記。評(píng)估板針對(duì)無(wú)下垂的兩相操作進(jìn)行了優(yōu)化，標(biāo)稱(chēng)輸出電壓為1.5V（DIP開(kāi)關(guān)U2設(shè)置為11位置），最大輸出電流為60A。

（二）評(píng)估板特點(diǎn)

1. 測(cè)試點(diǎn)與電壓選擇：評(píng)估板提供方便的測(cè)試點(diǎn)、用于從4種可能值（0.6V、0.9V、1.2V和1.5V）中選擇DAC（REF）電壓的DIP開(kāi)關(guān)、用于將輸出電壓調(diào)整至2.3V的電阻分壓器占位，以及板載瞬態(tài)負(fù)載發(fā)生器，便于評(píng)估過(guò)程。板載LED用于指示PGOOD信號(hào)的狀態(tài)。
2. PCB設(shè)計(jì)：印刷電路板采用6層、2盎司銅設(shè)計(jì)，應(yīng)用筆記末尾提供了布局圖和零件清單。

三、快速啟動(dòng)評(píng)估步驟

（一）準(zhǔn)備工作

在對(duì)評(píng)估板進(jìn)行任何操作之前，確?！癊nable”開(kāi)關(guān)（S1）和“Transient Load Generator”開(kāi)關(guān)（S2）都處于ON位置，分別對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換器禁用和瞬態(tài)負(fù)載發(fā)生器關(guān)閉。

（二）電源連接

1. 在J7和J8之間連接一個(gè)12V、10A的實(shí)驗(yàn)室電源，該電源提供VIN和PVCC（原始板配置）。
2. 在J23和GND之間連接一個(gè)5V、1A的實(shí)驗(yàn)室電源，該電源提供VCC偏置（如果板配置為5V PVCC，則也提供PVCC偏置）。

（三）設(shè)置參考電壓

將“REF Selection” DIP開(kāi)關(guān)（U2）設(shè)置為11，對(duì)應(yīng)(DAC = REF = 1.5V)，默認(rèn)情況下評(píng)估板設(shè)置為1.5V的參考電壓。

（四）連接負(fù)載

在VOUT端子（J1、J2）和GND端子（J3、J4）之間連接負(fù)載（電阻性或電子負(fù)載）。

（五）啟動(dòng)調(diào)節(jié)

將“Enable”開(kāi)關(guān)（S1）移至OFF位置，釋放IC ENLL引腳使其上升，開(kāi)始調(diào)節(jié)。之后，ISL6310EVAL1Z應(yīng)在“V ("VoUT+") 和 ("VoUT") -”測(cè)試點(diǎn)（P20、P21）和J5處將輸出電壓調(diào)節(jié)到REF電壓，“PGOOD Indicator” LED（D1）應(yīng)變?yōu)榫G色，表明調(diào)節(jié)器正常工作。

四、評(píng)估板功能特性

（一）輸入電源連接

ISL6310EVAL1Z允許使用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室電源為板供電，提供兩個(gè)香蕉插頭用于連接實(shí)驗(yàn)室電源。將+5V端子連接到P23，+12V端子連接到J7，公共接地連接到端子J8，為評(píng)估板供電時(shí)不需要電壓排序。電源施加到板上后，PGOOD LED指示燈將開(kāi)始亮起紅色，當(dāng)S1處于ON位置時(shí)，ISL6310的ENABLE輸入被拉低，啟動(dòng)序列被抑制。

（二）輸出電源連接

評(píng)估板的輸出可以使用電阻性或電子負(fù)載進(jìn)行測(cè)試，銅合金端子提供負(fù)載連接點(diǎn)。將正負(fù)載連接到VOUT端子J1和J2，負(fù)負(fù)載連接到接地端子J3和J4，屏蔽示波器探頭測(cè)試點(diǎn)J5允許檢查輸出電壓VOUT。

（三）REF和VOUT設(shè)置

REF DIP開(kāi)關(guān)預(yù)設(shè)為11（1.500V），也可以使用DIP開(kāi)關(guān)上的不同代碼選擇1.2V、0.9V和0.6V輸出。如果需要不同于4種可能REF值的輸出電壓，可以使用由R90（初始為0Ω）和R81（初始開(kāi)路）組成的輸出電阻分壓器（參考數(shù)據(jù)表和“調(diào)整輸出電壓”部分進(jìn)行電阻值計(jì)算）。當(dāng)REF電壓設(shè)置為1.5V時(shí)，ISL6310可用于高達(dá)2.3V的輸出電壓。

（四）PVCC電源選項(xiàng)

ISL6310的一個(gè)獨(dú)特功能是集成驅(qū)動(dòng)器的可變柵極驅(qū)動(dòng)偏置，內(nèi)部驅(qū)動(dòng)器的柵極驅(qū)動(dòng)電壓可以是+5V到+12V之間的任何電壓，只需將所需電壓連接到控制器的PVCC引腳。評(píng)估板設(shè)計(jì)支持多種PVCC電壓選項(xiàng)，通過(guò)填充和移除某些電阻可以在不同的PVCC電壓之間切換，評(píng)估板上有+5V、+12V和+8V（來(lái)自板載線性穩(wěn)壓器）三種板載電壓可用。

（五）啟用控制器

要啟用控制器，必須為板供電，設(shè)置REF（DAC）代碼，并設(shè)置PVCC和VCC電壓。如果正確遵循這些步驟，通過(guò)將“ENABLE”開(kāi)關(guān)（S1）切換到OFF位置來(lái)啟用調(diào)節(jié)器。當(dāng)S1切換到OFF時(shí)，ISL6310的ENLL引腳電壓將上升到0.66V的ENLL閾值以上，控制器將開(kāi)始其數(shù)字軟啟動(dòng)序列，輸出電壓上升到編程設(shè)置，此時(shí)PGOOD指示燈將從紅色變?yōu)榫G色。

（六）板載負(fù)載瞬態(tài)發(fā)生器

大多數(shù)臺(tái)式電子負(fù)載無(wú)法產(chǎn)生模擬大多數(shù)現(xiàn)代負(fù)載所需的電流變化率，因此評(píng)估板上提供了一個(gè)離散的瞬態(tài)負(fù)載發(fā)生器。該發(fā)生器產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間為500μs、周期為27ms的負(fù)載脈沖，脈沖幅度約為25A，上升和下降變化率約為50A/μs。要啟動(dòng)負(fù)載發(fā)生器，只需將開(kāi)關(guān)S2置于“OFF”位置。如果DAC代碼從11（1.500V）更改，必須相對(duì)于新的輸出電壓水平調(diào)整瞬態(tài)發(fā)生器的動(dòng)態(tài)。

（七）電感DCR靜態(tài)電流感測(cè)點(diǎn)

ISL6310EVAL1Z的一個(gè)獨(dú)特功能是能夠通過(guò)萬(wàn)用表測(cè)量每個(gè)通道電感的DCR上的電壓降。這通過(guò)在每個(gè)電感上并聯(lián)一個(gè)電容和電阻串聯(lián)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)電流(I_{L})流過(guò)電感時(shí)，DCR上產(chǎn)生的電壓降將被R - C電路感測(cè)到，并在電容C上產(chǎn)生等效電壓。由于該R - C電路的時(shí)間常數(shù)非常大，因此只能用于測(cè)量靜態(tài)電流，而不能測(cè)量瞬態(tài)電流。要計(jì)算每個(gè)電感中的電流，測(cè)量ISL6310EVAL1Z上“DCR SENSE”點(diǎn)的電壓，然后將該數(shù)值除以電感的DCR，即可得到靜態(tài)負(fù)載期間每個(gè)通道的準(zhǔn)確電流讀數(shù)。

五、評(píng)估板設(shè)計(jì)修改

（一）電流平衡電阻

ISL6310使用下MOSFET rDS(ON)電流傳感來(lái)測(cè)量每個(gè)通道的電流并相應(yīng)地進(jìn)行平衡。如果ISL6310EVAL1Z上的下MOSFET發(fā)生更改，應(yīng)更改電流平衡電阻R18和R20以適應(yīng)rDS(ON)的變化。參考ISL6310數(shù)據(jù)表第19頁(yè)選擇新的電流感測(cè)電阻，R18調(diào)整通道1的電流，R20調(diào)整通道2的電流，這些電阻也可用于調(diào)整由于布局引起的任何電流不平衡。

（二）負(fù)載線（下垂）調(diào)節(jié)

ISL6310具有可選的下垂功能，ISL6310EVAL1Z評(píng)估板設(shè)計(jì)針對(duì)無(wú)下垂情況進(jìn)行了優(yōu)化。下垂選項(xiàng)的選擇可參考相關(guān)表格，若啟用下垂功能，需要重新計(jì)算補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)以實(shí)現(xiàn)最佳的環(huán)路響應(yīng)和穩(wěn)定性。ISL6310使用電感DCR傳感R - C網(wǎng)絡(luò)來(lái)創(chuàng)建與所有活動(dòng)通道中的總電流成比例的輸出電壓變化（下垂），該網(wǎng)絡(luò)不僅能精確控制調(diào)節(jié)器的負(fù)載線，還能對(duì)DCR因溫度升高而可能導(dǎo)致的負(fù)載線偏移進(jìn)行熱補(bǔ)償。

（三）過(guò)流保護(hù)水平

ISL6310使用單個(gè)電阻來(lái)設(shè)置IC過(guò)流保護(hù)電路的最大電流水平，參考ISL6310數(shù)據(jù)表第17頁(yè)，相應(yīng)地調(diào)整電阻R11以設(shè)置所需的過(guò)流跳閘水平。

（四）輸出電壓偏移

ISL6310允許設(shè)計(jì)人員精確地對(duì)輸出電壓進(jìn)行正負(fù)偏移，只需在OFS和VCC引腳之間或OFS引腳和GND之間連接一個(gè)電阻。ISL6310EVAL1Z板上提供了這兩種電阻選項(xiàng)，要正向偏移輸出電壓，填充電阻R5；要負(fù)向偏移輸出電壓，填充電阻R7。參考ISL6310數(shù)據(jù)表第13頁(yè)準(zhǔn)確計(jì)算這些電阻值。

（五）開(kāi)關(guān)頻率

ISL6310EVAL1Z板的開(kāi)關(guān)頻率設(shè)置為400kHz的最佳值，對(duì)于給定設(shè)計(jì)，該頻率能提供最佳的效率和性能（(R13 = 60.4kΩ)）。然而，開(kāi)關(guān)頻率可以在每相80kHz到1.5MHz之間調(diào)整。在實(shí)際應(yīng)用中，許多因素會(huì)影響開(kāi)關(guān)頻率的選擇，包括效率和柵極驅(qū)動(dòng)損耗（取決于MOSFET選擇和柵極驅(qū)動(dòng)電壓）。由于ISL6310集成了MOSFET驅(qū)動(dòng)器，選擇開(kāi)關(guān)頻率時(shí)必須考慮驅(qū)動(dòng)器損耗。要更改開(kāi)關(guān)頻率，參考ISL6310數(shù)據(jù)表第24頁(yè)，相應(yīng)地調(diào)整頻率設(shè)置電阻R13的值。

（六）MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)電壓（PVCC）

ISL6310中集成驅(qū)動(dòng)器的柵極驅(qū)動(dòng)偏置電壓可以是+5V到+12V之間的任何電壓，通過(guò)將所需電壓連接到IC的PVCC引腳來(lái)設(shè)置該偏置電壓。

（七）活動(dòng)相數(shù)

ISL6310具有1相或2相操作選項(xiàng)，ISL6310EVAL1Z通過(guò)簡(jiǎn)單地填充或移除一兩個(gè)電阻R26和R29來(lái)改變活動(dòng)相數(shù)。

六、ISL6310性能表現(xiàn)

（一）軟啟動(dòng)間隔

ISL6310EVAL1Z的典型啟動(dòng)波形展示了調(diào)節(jié)器DAC設(shè)置為1.50V時(shí)的軟啟動(dòng)序列。在軟啟動(dòng)間隔開(kāi)始之前，VCC和PVCC高于POR，DAC設(shè)置為11。滿足這兩個(gè)條件后，將ENABLE開(kāi)關(guān)切換到OFF位置，使ENLL引腳電壓上升到ISL6310的啟用閾值以上，開(kāi)始軟啟動(dòng)序列。在0.6ms的延遲時(shí)間內(nèi)，由于控制器內(nèi)軟啟動(dòng)的實(shí)現(xiàn)方式，VOUT不會(huì)變化。經(jīng)過(guò)這個(gè)延遲（大約等于240個(gè)開(kāi)關(guān)周期）后，VOUT開(kāi)始線性上升到DAC電壓。轉(zhuǎn)換器以400kHz運(yùn)行時(shí)，這個(gè)上升過(guò)程大約需要4.3ms，在此期間，由于輸出電壓的受控建立，輸入電流ICC12也會(huì)緩慢上升。當(dāng)VOUT達(dá)到DAC設(shè)定點(diǎn)時(shí)，PGOOD引腳上的內(nèi)部下拉被釋放，PGOOD到VCC的電阻將PGOOD拉高，PGOOD LED指示燈從紅色變?yōu)榫G色。對(duì)于啟動(dòng)到預(yù)充電輸出的情況，ISL6310會(huì)保持兩組輸出MOSFET關(guān)閉，直到內(nèi)部斜坡開(kāi)始超過(guò)FB引腳處感測(cè)到的輸出電壓。

（二）瞬態(tài)響應(yīng)

ISL6310EVAL1Z設(shè)計(jì)為無(wú)下垂，最大輸出負(fù)載電流為60A。負(fù)載階躍約為25A，瞬態(tài)期間的輸出電壓變化保持在峰峰值100mV以下，負(fù)載階躍在上升和下降沿的最大變化率約為50A/μs。板載負(fù)載瞬態(tài)發(fā)生器可提供指定的負(fù)載階躍，也可適應(yīng)不同的負(fù)載階躍和電流變化率。在負(fù)載階躍發(fā)生時(shí)，輸出電容提供初始輸出電流，由于電容的ESR和ESL電壓降，VOUT會(huì)突然下降，控制器會(huì)立即響應(yīng)，將PWM占空比增加到66%，然后降低占空比以穩(wěn)定VOUT。負(fù)載脈沖結(jié)束時(shí)，負(fù)載電流回到0A，輸出電容吸收電感電流，導(dǎo)致VOUT突然上升，控制器會(huì)立即響應(yīng)，將PWM占空比降至零，然后相應(yīng)地增加以將VCORE調(diào)節(jié)到編程的1.5V水平。

（三）過(guò)流保護(hù)

當(dāng)發(fā)生過(guò)流事件時(shí)，ISL6310會(huì)停止所有調(diào)節(jié)并保護(hù)敏感負(fù)載。它通過(guò)持續(xù)監(jiān)測(cè)總輸出電流并將其與OCSET電阻R11設(shè)置的過(guò)流跳閘水平進(jìn)行比較來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果輸出電流超過(guò)跳閘水平，ISL6310會(huì)立即關(guān)閉上下MOSFET，使VOUT降至0V，控制器將UGATE和LGATE信號(hào)保持在該狀態(tài)4096個(gè)開(kāi)關(guān)周期（在400kHz時(shí)為10.25ms），然后重新初始化軟啟動(dòng)周期。如果導(dǎo)致過(guò)流跳閘的負(fù)載仍然存在，在軟啟動(dòng)周期完成之前會(huì)再次發(fā)生過(guò)流跳閘，控制器將繼續(xù)嘗試無(wú)限期地循環(huán)軟啟動(dòng)，直到負(fù)載電流降低或控制器被禁用。

（四）預(yù)POR過(guò)壓保護(hù)

在PVCC和VCC超過(guò)其POR水平之前，ISL6310設(shè)計(jì)為保護(hù)負(fù)載免受任何可能發(fā)生的過(guò)壓事件影響。通過(guò)從PHASE到LGATE連接一個(gè)內(nèi)部10kΩ電阻，導(dǎo)通下MOSFET以控制輸出電壓，直到輸入電源電流限制自身并切斷。

（五）過(guò)壓保護(hù)

在正常運(yùn)行期間，ISL6310持續(xù)監(jiān)測(cè)輸出電壓。如果輸出電壓超過(guò)特定限制（內(nèi)部設(shè)置），控制器會(huì)命令LGATE信號(hào)為高，導(dǎo)通下MOSFET以保持輸出電壓低于可能對(duì)負(fù)載造成損壞的水平。如果這導(dǎo)致輸入電源電壓降至ISL6310的POR水平以下，控制器會(huì)使用預(yù)POR過(guò)壓保護(hù)來(lái)確保輸出負(fù)載始終免受高壓尖峰的影響。

（六）效率

在室溫下且無(wú)氣流的熱平衡狀態(tài)下，對(duì)ISL6310EVAL1Z板在(VOUT = 1.5V)和(VOUT = 1.8V)時(shí)，從0A到60A加載的效率進(jìn)行了測(cè)量。對(duì)于(PVCC = 12V)，(VOUT = 1.5V)時(shí)效率在35A時(shí)峰值略低于88%，在60A時(shí)穩(wěn)定在約86%；(VOUT = 1.8V)時(shí)效率在35A時(shí)峰值略低于89%，在60A時(shí)穩(wěn)定在約87%。對(duì)于(PVCC = 5V)，(VOUT = 1.5V)時(shí)效率在17A時(shí)峰值約為89%，在60A時(shí)降至約84%；(VOUT = 1.8V)時(shí)效率在20A時(shí)峰值約為90%，在60A時(shí)降至約86%。使用氣流可以提高整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)的效率，并使組件保持較低溫度，從而提高可靠性和組件壽命。

七、評(píng)估板修改操作

（一）調(diào)整輸出電壓

可以通過(guò)更改內(nèi)部DAC的2位輸入（REF1，REF0）來(lái)調(diào)整輸出電壓，參考數(shù)據(jù)表了解可用的電壓范圍和所需設(shè)置。偏移引腳（OFS）允許對(duì)輸出電壓進(jìn)行小范圍（小于100mV）的正負(fù)偏移。如果需要超出內(nèi)部DAC正常范圍的輸出電壓設(shè)置，需要使用從負(fù)載輸出端子連接到VSEN引腳的單獨(dú)電阻分壓器，并根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算電阻值。

（二）不同輸入電壓的降壓轉(zhuǎn)換

ISL6310EVAL1Z由實(shí)驗(yàn)室電源供電，標(biāo)記為“+12V”的輸入可以根據(jù)需要調(diào)低。在嘗試較低電壓時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)：

1. 控制器的占空比限制為66%，如果輸入電壓降低到足以導(dǎo)致占空比飽和的水平，電路將無(wú)法正常調(diào)節(jié)輸出電壓。
2. 輸入電壓降低時(shí)，輸入RMS電流可能會(huì)增加，兩相在占空比約為25%時(shí)、單相在占空比約為50%時(shí)會(huì)達(dá)到最大值。
3. 由于評(píng)估板出廠時(shí)未針對(duì)高占空比操作進(jìn)行優(yōu)化，需要密切監(jiān)測(cè)板溫度，并僅根據(jù)板的熱性能增加輸出電流。

ISL6310EVAL1Z評(píng)估板為電子工程師提供了一個(gè)強(qiáng)大而靈活的工具，可用于測(cè)試和開(kāi)發(fā)各種電源系統(tǒng)應(yīng)用。通過(guò)對(duì)其特性、功能和性能的了解，工程師們可以更好地利用該評(píng)估板來(lái)滿足不同的設(shè)計(jì)需求。你在使用類(lèi)似評(píng)估板時(shí)是否也遇到過(guò)一些獨(dú)特的問(wèn)題呢？