Intersil ISL6439/ISL6439A：寬帶網(wǎng)關(guān)應用的單同步降壓PWM控制器

在電子設(shè)計領(lǐng)域，為DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)完整的控制和保護方案是一項關(guān)鍵任務(wù)。Intersil的ISL6439和ISL6439A單同步降壓PWM控制器，為寬帶網(wǎng)關(guān)應用提供了出色的解決方案，下面我們來詳細了解一下。

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產(chǎn)品概述

ISL6439能夠輕松實現(xiàn)DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器的完整控制和保護方案。它專為驅(qū)動同步降壓拓撲中的N溝道MOSFET而設(shè)計，將控制、輸出調(diào)節(jié)、監(jiān)控和保護功能集成到一個封裝中。該控制器提供簡單的單反饋環(huán)路、電壓模式控制，具有快速瞬態(tài)響應能力。輸出電壓可精確調(diào)節(jié)至低至0.8V，在溫度和線電壓變化范圍內(nèi)，最大容差為±1.5%。固定頻率振蕩器降低了設(shè)計復雜度，同時平衡了典型應用的成本和效率。

產(chǎn)品特性

電源與輸出范圍

• 輸入電壓：可在3.3V至5V的輸入電壓下工作。
• 輸出范圍：輸出范圍為0.8V至輸入電壓（VIN），內(nèi)部參考電壓為0.8V，在負載、線電壓和溫度變化時，精度可達±1.5%。

控制與驅(qū)動能力

• 驅(qū)動方式：能夠驅(qū)動N溝道MOSFET。
• 控制設(shè)計：采用簡單的單環(huán)控制設(shè)計，基于電壓模式PWM控制。
• 瞬態(tài)響應：具有快速瞬態(tài)響應能力，得益于高帶寬誤差放大器，可實現(xiàn)0%至100%的全占空比。

保護與其他特性

• 過流保護：采用無損、可編程的過流保護，利用上MOSFET的rDS(on)進行監(jiān)測，無需電流檢測電阻，提高了效率。
• 電流處理：轉(zhuǎn)換器能夠源和吸收電流。
• 尺寸與頻率：轉(zhuǎn)換器尺寸小，內(nèi)部集成固定頻率振蕩器，ISL6439為300kHz，ISL6439A為600kHz。
• 軟啟動：具備內(nèi)部軟啟動功能。
• 封裝形式：提供14引腳SOIC或16引腳5x5 QFN封裝，QFN封裝符合JEDEC PUB95 MO - 220標準，接近芯片級封裝尺寸，提高了PCB效率，且外形更薄，同時為無鉛（符合RoHS標準）產(chǎn)品。

應用領(lǐng)域

ISL6439和ISL6439A適用于多種應用場景，包括電纜調(diào)制解調(diào)器、機頂盒和DSL調(diào)制解調(diào)器、DSP和核心通信處理器電源、內(nèi)存電源、個人計算機外設(shè)、工業(yè)電源、3.3V輸入DC/DC穩(wěn)壓器以及低壓分布式電源等。

引腳說明

14引腳SOIC和16引腳5x5 QFN封裝

• VCC：為ISL6439提供偏置電源，需連接一個經(jīng)過良好去耦的3.3V電源。
• COMP和FB：是誤差放大器的外部引腳，F(xiàn)B是內(nèi)部誤差放大器的反相輸入，COMP是誤差放大器的輸出，用于補償轉(zhuǎn)換器的電壓控制反饋環(huán)路。
• GND：代表IC的信號和電源地，應通過最低阻抗連接到接地島/平面。
• PHASE：連接到上MOSFET的源極，用于監(jiān)測上MOSFET兩端的電壓降，以實現(xiàn)過流保護。
• UGATE：連接到上MOSFET的柵極，提供PWM控制的柵極驅(qū)動，同時被自適應直通保護電路監(jiān)測，以確定上MOSFET何時關(guān)閉。
• BOOT：為上MOSFET驅(qū)動器提供接地參考偏置電壓，通過自舉電路產(chǎn)生適合驅(qū)動邏輯電平N溝道MOSFET的電壓。
• LGATE：連接到下MOSFET的柵極，提供PWM控制的柵極驅(qū)動，也被自適應直通保護電路監(jiān)測，以確定下MOSFET何時關(guān)閉。
• OCSET：通過一個電阻（ROCSET）連接到上MOSFET的漏極（VIN），ROCSET、內(nèi)部20μA電流源（IOCSET）和上MOSFET導通電阻（rDS(ON)）根據(jù)公式 (PEAK =frac{I{OCSET } × R{OCSET }}{r_{DS(ON)}}) 設(shè)置轉(zhuǎn)換器的過流（OC）觸發(fā)點。過流觸發(fā)會使軟啟動功能循環(huán)。
• ENABLE：為集電極開路使能引腳，將該引腳拉至低于0.8V的電平將禁用控制器，此時振蕩器停止，LGATE和UGATE輸出保持低電平，軟啟動電路重新啟動。
• CT1和CT2：用于連接外部電荷泵電容器，建議使用至少0.1μF的陶瓷電容器，以確保IC正常工作。
• CPVOUT：代表電荷泵的輸出，該引腳的電壓是IC的偏置電壓，需連接一個去耦電容器到地，去耦電容器的值應至少為電荷泵電容器值的10倍，該引腳可連接到自舉電路，作為產(chǎn)生BOOT電壓的源。
• CPGND：代表電荷泵的信號和電源地，應通過最低阻抗連接到接地島/平面。

功能描述

初始化

ISL6439在通電時會自動初始化，無需對輸入電源進行特殊排序。上電復位（POR）功能持續(xù)監(jiān)測電荷泵的輸出電壓，在POR期間，電荷泵在自由運行振蕩器上工作，一旦達到POR電平，電荷泵振蕩器將與PWM振蕩器同步。POR功能還會在電荷泵輸出電壓超過其POR閾值后啟動軟啟動操作。

軟啟動

POR功能啟動數(shù)字軟啟動序列，PWM誤差放大器參考被鉗位到與軟啟動電壓成比例的電平。隨著軟啟動電壓上升，PWM比較器產(chǎn)生寬度逐漸增加的PHASE脈沖，對輸出電容器充電，從而實現(xiàn)快速且受控的輸出電壓上升，軟啟動序列通常約需6.5ms。

直通保護

當上下MOSFET同時導通時，會發(fā)生直通情況，導致輸入電壓直接短路到地。為保護穩(wěn)壓器，ISL6439采用專門的電路，確?；パaMOSFET不會同時導通。自適應直通保護通過監(jiān)測下柵極驅(qū)動引腳LGATE和上柵極驅(qū)動引腳UGATE來確定MOSFET的導通或關(guān)斷狀態(tài)。如果UGATE或LGATE到GND的電壓低于0.8V，則相應的MOSFET被定義為關(guān)斷，互補MOSFET導通。這種保護方法允許穩(wěn)壓器源和吸收電流，但在設(shè)計時，工程師需要考慮在柵極驅(qū)動器和相應MOSFET柵極之間引入外部組件可能帶來的影響，因為這可能會干擾直通保護功能。

輸出電壓選擇

輸出電壓可在VIN和內(nèi)部參考電壓0.8V之間進行編程。通過外部電阻分壓器將輸出電壓相對于參考電壓進行縮放，并反饋到誤差放大器的反相輸入。建議將R1的值保持在5kΩ以下，因為其值會影響其他補償組件的值。R4可根據(jù)公式 (R 4=frac{R 1 × 0.8 V}{V_{OUT 1}-0.8 V}) 計算。如果所需輸出電壓為0.8V，只需通過R1將輸出路由回FB引腳，而不安裝R4。

過流保護

過流功能通過監(jiān)測上MOSFET的導通電阻rDS(ON)來保護轉(zhuǎn)換器免受輸出短路的影響，這種方法消除了電流檢測電阻，提高了轉(zhuǎn)換器的效率并降低了成本。過流功能以打嗝模式循環(huán)軟啟動功能，提供故障保護。通過一個電阻（ROCSET）對過流觸發(fā)電平進行編程，內(nèi)部20μA（典型值）電流源在ROCSET上產(chǎn)生一個參考VIN的電壓。當跨過上MOSFET的電壓（同樣參考VIN）超過ROCSET上的電壓時，過流功能啟動軟啟動序列。為避免在正常工作負載范圍內(nèi)過流觸發(fā)，需要根據(jù)MOSFET的最大rDS(ON)（在最高結(jié)溫下）、規(guī)格表中的最小IOCSET以及輸出電感紋波電流來確定ROCSET電阻的值。同時，應在ROCSET上并聯(lián)一個小陶瓷電容器，以平滑輸入電壓上開關(guān)噪聲引起的ROCSET兩端的電壓。

電流吸收

ISL6439采用MOSFET直通保護方法，允許轉(zhuǎn)換器吸收電流以及提供電流。在設(shè)計可能吸收電流的轉(zhuǎn)換器時，需要格外小心。當轉(zhuǎn)換器吸收電流時，它表現(xiàn)為一個調(diào)節(jié)其輸入電壓的升壓轉(zhuǎn)換器，這意味著轉(zhuǎn)換器將電流升壓到穩(wěn)壓器的輸入軌。如果該電流無處可去，輸入軌上的電容將吸收該電流，導致輸入軌電壓升高。如果軌電壓升高到超過連接到輸入軌的任何組件的最大電壓額定值，這些組件可能會發(fā)生不可逆故障或承受壓力，從而縮短其使用壽命。因此，確保電流有除軌電容之外的流通路徑可以防止這種故障模式。

應用指南

布局考慮

在高頻開關(guān)轉(zhuǎn)換器設(shè)計中，布局非常重要。由于功率器件以300kHz或600kHz的頻率高效開關(guān)，電流在器件之間的轉(zhuǎn)換會在互連阻抗和寄生電路元件上產(chǎn)生電壓尖峰，這些電壓尖峰可能會降低效率、向電路輻射噪聲并導致器件過電壓應力。因此，需要精心進行組件布局和印刷電路板設(shè)計，以最小化轉(zhuǎn)換器中的電壓尖峰。

在DC/DC轉(zhuǎn)換器中，有兩組關(guān)鍵組件。開關(guān)組件最為關(guān)鍵，因為它們切換大量能量，容易產(chǎn)生大量噪聲；其次是連接到敏感節(jié)點或提供關(guān)鍵旁路電流和信號耦合的小信號組件。建議使用多層印刷電路板，將一個實心層（通常是PCB的中間層）用作接地平面，通過過孔將所有關(guān)鍵組件的接地連接到該層；另一個實心層用作電源平面，并將其劃分為具有共同電壓水平的較小島。保持從PHASE端子到輸出電感的金屬走線短，電源平面應支持輸入電源和輸出電源節(jié)點。在頂部和底部電路層使用銅填充多邊形作為相位節(jié)點，其余印刷電路層用于小信號布線。從GATE引腳到MOSFET柵極的布線應短而寬，以輕松處理1A的驅(qū)動電流。

開關(guān)組件應首先靠近ISL6439放置，通過將輸入電容器（CIN）放置在附近，最小化它們與功率開關(guān)之間的連接長度。將陶瓷和大容量輸入電容器盡可能靠近上MOSFET的漏極放置。將輸出電感和輸出電容器放置在上MOSFET和下MOSFET與負載之間。

關(guān)鍵小信號組件包括任何旁路電容器、反饋組件和補償組件。將旁路電容器CBP靠近VCC引腳放置，并通過過孔直接連接到接地平面。將PWM轉(zhuǎn)換器補償組件靠近FB和COMP引腳放置。兩個穩(wěn)壓器的反饋電阻也應盡可能靠近相關(guān)的FB引腳放置，并根據(jù)需要通過過孔直接連接到接地平面。

反饋補償

對于同步整流降壓轉(zhuǎn)換器的電壓模式控制環(huán)路，輸出電壓（VOUT）被調(diào)節(jié)到參考電壓水平。誤差放大器（Error Amp）的輸出（VE/A）與振蕩器（OSC）的三角波進行比較，以在PHASE節(jié)點提供一個幅度為VIN的脈寬調(diào)制（PWM）波，該PWM波通過輸出濾波器（L和CO）進行平滑。

調(diào)制器傳遞函數(shù)是VOUT/VE/A的小信號傳遞函數(shù)，主要由直流增益和輸出濾波器（L - O和CO）決定，在FLC處有一個雙極點轉(zhuǎn)折頻率，在FESR處有一個零點。調(diào)制器的直流增益簡單地等于輸入電壓（VIN）除以振蕩器的峰 - 峰電壓ΔVOSC。

補償網(wǎng)絡(luò)由誤差放大器（ISL6439內(nèi)部）和阻抗網(wǎng)絡(luò)ZIN和ZFB組成，其目標是提供一個具有最高0dB交叉頻率（fodB）和足夠相位裕度的閉環(huán)傳遞函數(shù)。相位裕度是fodB處的閉環(huán)相位與180度之間的差值。通過合理選擇補償網(wǎng)絡(luò)的極點、零點和增益，可以實現(xiàn)穩(wěn)定的控制環(huán)路，穩(wěn)定的控制環(huán)路應具有 - 20dB/decade斜率的增益交叉和大于45度的相位裕度，在確定相位裕度時應考慮最壞情況下的組件變化。

組件選擇指南

電荷泵電容器選擇

當IC在3.3V下工作時，需要在CT1和CT2引腳之間連接一個電容器，以產(chǎn)生ISL6439的適當偏置電壓。選擇合適的電容值非常重要，以確保偏置電流和MOSFET柵極所需的電流不會使電容器負擔過重?？筛鶕?jù)公式 (C{PUMP }=frac{I{BiasAndGate }}{V{CC} × f{S}} × 1.5) 進行選擇。

輸出電容器選擇

輸出電容器用于過濾輸出并提供負載瞬態(tài)電流。濾波要求取決于開關(guān)頻率和紋波電流，負載瞬態(tài)要求取決于轉(zhuǎn)換速率（di/dt）和瞬態(tài)負載電流的大小。通常通過混合使用電容器和精心布局來滿足這些要求。

現(xiàn)代數(shù)字IC可能會產(chǎn)生高瞬態(tài)負載轉(zhuǎn)換速率，高頻電容器首先提供瞬態(tài)電流，減緩大容量電容器所看到的電流負載速率。大容量濾波電容器的值通常由ESR（有效串聯(lián)電阻）和電壓額定要求決定，而不是實際電容要求。高頻去耦電容器應盡可能靠近負載的電源引腳放置，注意避免在電路板布線中增加電感，以免抵消這些低電感組件的作用。對于大容量電容器，應使用專門為開關(guān)穩(wěn)壓器應用設(shè)計的低ESR電容器，其ESR值將決定輸出紋波電壓和高轉(zhuǎn)換速率瞬態(tài)后的初始電壓降。在大多數(shù)情況下，多個小尺寸電解電容器的性能優(yōu)于單個大尺寸電容器。

輸出電感選擇

輸出電感的選擇應滿足輸出電壓紋波要求，并最小化轉(zhuǎn)換器對負載瞬態(tài)的響應時間。電感值決定了轉(zhuǎn)換器的紋波電流，紋波電壓與紋波電流有關(guān)。紋波電壓和電流可通過公式 (Delta I=frac{V{I N}-V{OUT }}{f{S} × L} × frac{V{OUT }}{V{I N}}) 和 (Delta V{OUT }=Delta I × E S R) 進行近似計算。增加電感值可以降低紋波電流和電壓，但會降低轉(zhuǎn)換器對負載瞬態(tài)的響應時間。

Intersil的ISL6439和ISL6439A單同步降壓PWM控制器為寬帶網(wǎng)關(guān)應用提供了全面而高效的解決方案。通過合理的布局、反饋補償和組件選擇，可以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢，滿足各種應用需求。在實際設(shè)計中，工程師們還需要根據(jù)具體情況進行深入分析和優(yōu)化，你在使用這款控制器時遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗。